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中国的涡轮风扇发动机发展之路

时间:2019-08-05 19:04:49

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中国的涡轮风扇发动机发展之路

经过数十年的曲折发展,至21世纪初中国在涡喷发动机方面终达巅峰。涡喷发动机虽然技术简单、推力大,维护简单,但涡喷发动机的最大致命缺点――油耗居高不下。同时涡喷发动机在民机使用中还存在另一大缺点:噪声大。战斗机为了追求高机动性,要求发动机的推重比越高越好,而涡喷发动机难以满足。涡扇发动机成为解决这些问题的关键所在。其实中国在涡喷发动机发展刚有起色之时便紧盯世界航空发动机发展潮流,从20世纪60年代就开始了涡扇发动机的研究。可以说,中国的涡扇发动机研制时间并不晚,但由于种种原因,最终研制的大部分型号几乎都没能坚持到底,成功型号更是少之又少,成为中国航发研制中无法弥补的遗憾。

涡扇-5发动机

在20世纪60年代初,中国经过十余年的发展,各行各业都步入正轨,一切都向国富民强发展。当时空军装备涡喷-5发动机的轰5轰炸机已大批量进入空军服役。经过多年使用,涡喷-5的性能逐渐落后,严重制约轰5这个“老兵”性能的发挥。空军迫切希望能用性能更好的发动机来改装轰5,让这棵“老树”能够开出“新花”。当时中国的航空工业最好的产品涡喷-5、涡喷-6、涡喷-7都不堪重用。国家希望能研制一款新型发动机。当时涡扇发动机已成为未来航发的发展方面,各国都加紧研制各自的第一代涡扇发动机。中国有关单位,审时度势,结合军方意见,决定上马涡扇发动机。希望能赶上世界航发的脚步。中国在涡扇发动机的研究方面与国际同行站在同一起跑线上,跟上了时代步伐。

1962年,中国在确定方向后,立刻着手研制涡扇发动机。为了降低风险及缩短研制周期,决定在涡喷-6发动机的基础上进行改进设计。1963年1月沈阳航发动机设计所提出设计方案,随后开始全面的设计工作。该发动机给予了涡扇-5(WS-5)的编号。

涡扇-5是基于涡喷-6改进而来的,保留了涡喷-6的大部分成熟设计,以降低技术难度。取消了加力燃烧室和可调喷管,增加后风扇部件;去掉压气机放气装置,而改成前4级静子可调;增加零级导流叶片,并由其带动一个单级风扇而成为双涵发动机。改型后,发动机的性能有了很大的提高,其主要技术指标为:最大推力35.3千牛,比涡喷-6提高了35%;耗油率0.66千克/牛小时,比涡喷-6下降了30%;涵道比1.6。由于压气机的效率提高和耗油率下降,如果换装到轰5上其航程和作战半径可分别提高30%和24%。

1965年,涡扇-5的第一台样机完成总装,随即转入到繁重的试验中。在这漫长过程中,出现了由于振动导致风扇叶片根部裂纹的故障。经过工厂技术人员攻关,在1965年7月解决问题;1966年进行了最大推力和耗油率测试,均达到了设计要求;1970年,通过了长期试车考核。1971年开始换装在一架轰5上(为保险起见,另一台发动机仍为涡喷-5)进行验证试飞。刚开始先进行跑到滑跑试验,没有出现任何问题,证实发动机状态良好。涡扇-5的优良性能让沈航发厂上下极为振奋,全厂上下随即集中力量,积极地准备下一阶段的升空试飞。但在进入20世纪70年代后,中国的新型轰炸机轰6已进入大批量生产阶段,让性能落后的轰5处于十分尴尬的境地。后经军方努力,虽保住了轰5,没让其大规模退役。但换发计划也失去了必要,从而使尚处襁褓中的涡扇5失去了使用目标,遂于1973年终止了研制计划。

涡扇-5前后试制了11台样机,在超、跨声速风扇设计、压气机可调叶片技术和叶片调节器等关键技术上有着突破性的进展。不过就在涡扇-5即将完成全部技术定型之时的1973年,世界上的主要涡扇发动机都基本投入使用,RB199、F100、F110、F404、AL-31F、RD-33这些直到现在仍为主要空军强国主力战机的动力装置都基本进入批量生产阶段。与上述涡扇发动机相比,中国的涡扇-5毫无优势可言,落后许多。但涡扇-5上取得众多新技术在以后研制的多种发动机上得到了广泛的应用。这也让进入历史尘埃中的涡扇-5为中国航发崛起作出了最后的贡献吧!只不过涡扇-5的终止研制使中国航发设计的涡扇发动机装备使用推迟了近30年,让国人扼腕叹息不止。也又一次印证型号牵引项目方式的失败。

涡扇-6发动机

在20世纪60年代,世界各主要航空强国的二代战机都已进入服役状态。对未来的第三代战机都作出相应的探讨研究。中国也不例外。在1964年,中国为了替换老式的歼5、歼6战斗机和强5强击机,也启动了新一代的战斗机机和强击机的研制工作。即后来都下马的歼9战斗机和强6强击机。由于这两款战机都是针对未来20世纪后30年的战场环境使用,均需要一款性能强悍的新型发动机。而当时中国能拿得出的几款发动机均不符合要求。为此,沈阳航空发动机研究所在国家有关部门的授意下正式着手研制新型发动机。沈发所根据军方要求及国际上对新型发动机进行系统化分析,提出了三类方案共22个设计:双轴涡喷、单轴涡喷和涡扇喷气,以供军方选择。中国有关部门经过科学的对比后认为只有涡扇型才可以满足这两种新型飞机的需求。于是正式决定上马这型后被命名为涡扇-6(WS-6)的发动机。设计性能数据为最大推力70.6千牛,加力推力了为121.5千牛,推重比为6,采用双轴内外涵道混合加力式风扇。在当时是一种性能十分先进的大推力发动机。

1964年10月涡扇-6发动机正式开始进行初步设计。由于有涡扇-5的前述铺垫及在涡喷发动机方面取得一系列的成功,1966年初完成了全部的图纸设计;1967年,完成了2台样机的制造工作;1968年开始了初步的调试工作。调试任务主要分为运转试车、性能调试、持久试车、高空台及飞行台试验、国家定型试验5个部分。在最后的5年多时间里,沈所先后攻克众多技术难关(压气机部件性能差、高压压气机喘振裕度小、起动及中转速喘振等故障),在1974年发动机达到了100%的转速,进入了高转速运转试车。不过在高转速运转时,高压转子振动大、喘振、涡轮前温度超标等问题暴露出来了。涡扇-6再次进入技术攻关状态;1979年11月解决了所有出现的问题,发动机实现了高转速长时间稳定运转;1980年,涡扇-6继续进行性能试验。在试验中最大推力、耗油率都达到或超过了预先设定值;1980年进行加力燃烧室试验,发动机最大加力推力达到了123.5千牛,略超过预先设计值。1973年,正在涡扇-6进行最后的技术冲刺时,国家对歼9的性能作出了修改,性能进一步被拔高(达到了当时流行的双2.5指标,即升限2.5万米、速度马赫数2.5)。这次性能的拔高,涡扇-6尚能凑合应付。但随后在1976年上马的歼13战机也选定涡扇-6作为动力装置。这让涡扇-6的设计性能远不能满足需求。最终在1980年,国家拟定对涡扇-6进行改型升级,即涡扇-6G(G代表改进的意思)。

涡扇-6G是在涡扇-6基础上保持外形尺寸不变,将发动机的最大加力推力提高到138.2千牛,最大推力提高到83.3千牛,推重比提高了7.0,并且在可靠性和维护性及耗油率方面保持不变。

客观地说,涡扇-6G的性能较当时的航空工业的两大豪门美苏及向来都是航发工业风向标的英国来说,其性能之高度也许算不得多么的高不可攀。但相较于当时20世纪80年代的中国的航发工业基础,这个性能指标还是有一定的难度。其实中国直到引进俄罗斯的AL-31F发动机时才部分实现这样华丽的性能数值。不过这却是涡扇-6下马后的事情了。即使如此,中国的科技人员仅用两年时间便攻克了众多难关。1980年2月,首台涡扇-6G进行了地面试验。后经一系列严格试验,其最大加力推力和最大推力均达到了预期指标。可以进行装机飞行试验。可以说,涡扇-6G完全达到了当时世界的先进水平。只要坚持下去,对细节进行相关完善,在1990年初足以研制出一款与AL-31F匹敌的第三代大推力涡扇发动机。

可就在整个沈发所对涡扇-6充满憧憬之时,20世纪80年代初期,中国的国际环境发生了变化。以前对中国执行严格封锁的西方国家对中国敞开军售大门。英国罗?罗公司的“斯贝”发动机进入了国家高层的视线,引进工作也进入实质性阶段。同时,中国在见到西方的先进军事装备后,认识到就算当时中国的歼9、强6研制出来也还落后于当时欧美、苏联的第三代战机。再加当时中国空军军事装备体系的变化,在20世纪80年代初期,歼9、强6战机相继下马。作为战机配套动力的涡扇-6失去了使用对象,1983年7月涡扇-6发动机的研制工作全面停止。1984年初,研制计划被全部取消。

涡扇-6的下马,让沈发所十余年的心血就这么尽付东流。更要命的是涡扇-6发动机不但性能优秀,且很有发展前途,若能研制成功完全可以扭转中国在航空工业方面一直与世界先进水平的差距。涡扇-6发动机的失败再次反映出当时中国航发工业方面存在种种的弊端:高层管理的失误、决策的非科学性、研发的急功近利。当然除了这些主观因素之外,基础薄弱这一客观现象也不容回避。

万幸的是当时高层在终止涡扇-6发动机项目后,为了保留中国在航发工业的最后血脉,决定由沈发所接手研制“昆仑”涡喷发动机,延续了那颗自强不息的宝贵火种。这颗火种在21世纪终成“燎原”之势,支撑中国航空工业的强势崛起。

涡扇-9“秦岭”发动机

前文提到的中国涡扇-6发动机下马原因中,英国的“斯贝”发动机是其中的主要原因之一。那么“斯贝”发动机究竟是何方神圣?对中国的航发工业究竟起着怎么样的作用?

“斯贝”发动机是英国在20世纪60年代中期研制的一种性能较为先进的涡扇发动机。该发动机长5.025米,直径1.093米,重1850千克,最大推力为54.5千牛,加力推力为91.1千牛,推重比为5.05,最大军用耗油率为0.684千克/牛?时,最大加力耗油率为2.0千克/牛?时,涵道比0.62。“斯贝”发动机在西方乃至世界都是一型应用广泛的发动机,自问世起历经30多年的发展形成一系列的改型,覆盖大型民用客机、支线客机、战斗机、攻击机、工业用燃气轮机,甚至是舰艇。

客观点讲,“斯贝”发动机在当时西方众多涡扇发动机中,其整体性能只属中等水平,并不拔尖,但相较于中国的涡喷发动机,仍具有推力大、耗油率低、可维护性好、使用寿命长等特点,是中国任何一款航发都比不上的。可以说,“斯贝”发动机是当时罗?罗公司在世界航发市场上一款星光四射的招牌产品之一。

进入20世纪70年代,中国的航发工业受到“文化大革命”的影响,这个时期生产的航发质量明显下降,性能与当时国际先进水平有着很大的差距。最后在周总理的强有力干预下,着力整顿航发工业才保证现阶段研制生产的航发产品质量的要求,并考虑利用与西方缓和的关系,从国外引进先进的技术产品。

自新中国成立以来,西方对中国一直保持敌对状态。进入20世纪70年代,双方关系虽有缓和,但若想从西方航空强国引进先进航空发动机仍有相当大的难度。直接引进先进军用型航发的可能性更小。为此,中国制定了先引进民用涡扇发动机,然后在此基础上发展出自己的军用型涡扇发动机的方针。

在此方针指导下,1972年,中国开始与英国接触。而当时英国因国力大幅下降,也迫切希望能通过出售先进技术换取硬通货。这一策略与当年出售“尼恩”发动机有着类似的背景。这也为中国能最终成功引进“斯贝”发动机创造了一个重要因素。1974年,双方进入了实质性的谈判阶段。为了抓住中国人的购买欲望,英国人对中国航发现状进行了一个有深度的分析,认为中国当时在民用型航发方面市场基本为零,而对军用航空发动机方面却因整体实力落后而有着深厚的市场。于是,英国人主动提出向中国出售民用型“斯贝”MK511的军用版“斯贝”MK202型发动机生产许可证。这对中国无疑是一个意外的惊喜。后经过具体细节谈判,1975年12月13日,中英双方正式签订“斯贝”MK202型发动机的引进合同,中国可以按照许可证在国内生产组装改型发动机。

主合同是关于英国向中国转让生产许可权和技术资料的合同;规定英方向中国提供的资料目录;10项关键技术资料内容;技术支援项目内容,共180人月;技术培训项目的内容,共1080人月;此外有关于发动机和关键零部件的考核等。合同总价值为4000多万英镑,合同还规定了款项的支付办法,以及其他各项标准商务条款等。与主合同签订的还有一份购买合同:按规定的时间进度和价格,英方向中国销售;中方向英方购买共52台发动机及一些备件毛料和成件。合同还规定了发动机的基本价格和浮动公式;合同总价为3000多万英镑。由于实际价格是按照公式浮动计算的,所以实际支付总数比预算的多很多。此外,对有关发动机的各项辅机,双方也签订了相应的生产许可权转让合同和购买合同。根据国家有关安排,“斯贝”仿制工作由沈阳航空发动机厂负责。但沈发厂此时正承担涡扇-6及涡扇-6丙的研制任务,这显然对自主研制的产品产生严重的干扰!1972年4月,沈发厂因为仿制“斯贝”而终止涡扇-6的研制工作,对涡扇-6造成了不必要的负面影响。后经沈发厂努力,最终决定“斯贝”仿制工作于1976年迁出沈发厂,由西安航空发动机厂负责仿制,国内称之为涡扇-9“秦岭”发动机。

1976年1月,罗?罗公司派出专家组对西安航空发动机厂进行考察,了解工厂现有的设施情况,以便提出关于为生产“斯贝”所需补充的设备的建议书。英方专家组对西发厂进行十分详细的考察,给出了相当详细的建议书。相当详细的说明了制造各种零件所需设备。这也让国人对“斯贝”的试制和生产难度和工作量有了第一次的认识。

1977年9月,国家有关部门在西安召开技术会议,讨论试制中的各项技术问题,确定了“斯贝”试制成功后将按照每年120台的批量进行生产,各种叶片因为有备件需要,按照每年400台份进行生产。工厂虽然添增了不少关键设备,仍不能满足批量生产的需求。为了在西发厂建立“斯贝”发动机生产线,经中央批准,国务院拨款1亿英镑用来对西发厂和有关辅机工厂进行必要的技术改造。这批钱在当时来说算得上是巨款,充分说明中央对航空工业的重视。为了协调技改工作,中央专门从相关部门抽调精兵强将组建一个专家工作组来具体办理。

刚开始的技改方案曾提出请罗?罗公司来帮助西发厂进行,甚至考虑请英方来总承包整个技改方案,包括厂房建设和设备采购。因此,英方曾派出小组数次来华。但在较深入低进行研究时,英方要求中国提供西发厂的详细资料,包括平面布置、地质水文等资料。同时初步开出了一个天文数字的预算。这样委托外商主办的技改方案只好放弃,确定自己来办。

1978年春节刚过,工作组就研究技改方案。技改的内容主要有两个:一是要建设一些新的精铸厂房、精锻厂房、数控加工厂房、点解加工厂房和部分实验室;二是按照英方建议书中的要求购买各种设备,包括精铸、精锻两方面的全套设备;各类金属切削机床、焊接和热处理设备、计量仪器和理化测试仪器等。

按照部里要求,技改工作组用了大约2个月的时间对英国“斯贝”发动机有关的生产现场进行了考察。每到一处都是先参观车间生产现场,由英方技术人员向我们介绍各类零部件所用的设备以及他们在使用这些设备中的经验和问题,再由我们提问讨论。

随着工作组在英国考察学习的推进,国内也组织大量人力对引进的技术资料进行详细的翻译核对,对生产工艺制造方面也给予了很大的帮助。并为工厂的设备改造划拨了专项资金。同时对工厂的加工生产装配工艺进行了大量的改进。根据工作组的意见,引进了一大批性能先进的生产加工设备,从而使西发厂的发动机制造水平达到了世界20世纪70年代中期的先进水平,缩短了中国航空发动机制造业与世界先进水平的差距。好的基础实施的建设使随后的生产装配工作得到了较为顺利的进行。

西发厂从1976年开始涡扇-9的全面研制工作。先后攻克了76项关键技术。其中,与航空工艺研究所合作研究的钛合金热成型技术使涡扇-9的工艺比“斯贝”MK202规定的工艺还要先进独特。1979年10月,2批4台涡扇-9装配完成:两月后,中英双方共同完成了150小时的持久试车试验;1980年2月到5月,又运输到英国进行长达3个月的高空模拟试车、零下40℃条件下的起动试车及5大部件循环疲劳强度试验;同时,对关键零部件如涡轮盘、轴和机匣等进行了疲劳试验。结果全部符合技术要求,达到了英国“斯贝”MK202发动机的技术水平。至此,涡扇-9发动机就宣布试制成功了。

俗话说得好:良好的开端是成功的一半!但这对涡扇-9却不是。就在涡扇-9的研制工作紧张进行时,其所配套飞机的研制又一次出现了问题。以致使耗费巨资引进的“斯贝”发动机生产线长期处于停产及闲置状态,也使中国自制涡扇发动机的梦想再次面临中途夭折的命运。不过,中国有句古话:事不过三!中国航空工业经历了涡扇-5、涡扇-6的两次失败,这次上天没有再和中国人开玩笑。随着中国国防战略的调整,曾经被空军放弃的歼轰7飞机项目被海军看中。1984年,海航出资复活了“飞豹”项目,并被列为国家重点项目,加快了研制进度。为其配套的涡扇-9发动机的研制工作也得以再次启动。

随着“飞豹”研制生产的顺利进行,当年引进的数十台“斯贝”MK202发动机立即被运用到第一批生产的飞机上。海航经过系统化的测试后,对“飞豹”相当满意,要求西安飞机制造厂扩大生产规模,并根据实际使用情况对“飞豹”进行了适当的改进。

随着“飞豹”的大批量生产,“斯贝”发动机一扫多年不被重用的蹉跎,准备大干一场时,却因“斯贝”国产化没有完成,不能提供批量装备。这时候,有关方面才如梦初醒,从20世纪90年代初期大抓“斯贝”国产化工作,标志着涡扇-9发动机进入了一个全新的阶段。

然而,远水解不了近渴。为满足海军的装备需求,西飞又不得不向英国购买“斯贝”发动机,以为急需。不过英国的“斯贝”发动机已经停产,无奈花钱购买退役的“堪修”发动机回国,拼修以应急。如此经历听起来仿若天方夜谭,但确实活活生的存在。让中国航发工业长期存在的各种弊端彻底的暴露在世人面前,让国人深刻认识到战机在航发上所走的弯路,为以后的发展点明了正确的方向,让中国认识到在航发发展中正确的模式,并加以执行。从而为新世纪中国航发的全面崛起埋下了伏笔。可以说,“斯贝”国产化过程中的弯路从另一角度来说促进了中国航发的崛起。

经过西航集团的不懈努力,1995年11月,部分国产化涡扇-9顺利完成了150小时的试车,性能完全符合设计要求。但此时涡扇-9只有70%的国产化率,核心技术仍未完全掌握。因此,从1999年开始,中国再次启动涡扇-9的全面国产化工作。1年后,新涡扇-9在成功完成两次冷气运转后,完成了成功点火;随即开始了150小时的工艺试车。试车结果表明各项性能及技术指标均达到了技术要求。同时,把国产化的涡扇9重新命名为“秦岭”发动机。

2002年6月1日,安装“秦岭”发动机的“飞豹”成功首飞。经过数十架次的科目飞行,7月,“秦岭”发动机国产化工程正式通过国家的技术鉴定,宣告全面成功。从而结束了中国国产化涡扇发动机装备上的空白。同时,“斯贝”发动机的全面国产化是中国第一次系统接触西方先进涡扇发动机,掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术,掌握了金属喷漆、真空热处理等12项世界先进技术和46项国内先进工艺技术,使得国内航空动力行业冶金、材料、化工、机械等方面技术水平相应的都得到了提高。正是因为“秦岭”的问世,新“飞豹”的森森獠牙时隔不久便撕裂长空,宣告一款达到世界同类战机水平的国产战斗轰炸机登上了世界舞台。

涡扇-10“太行”发动机

和众多夭折的发动机项目一样,涡扇-10“太行”发动机也是应当时中国的重要国防项目――歼10战机而生。早在20世纪70年代,中国的成都飞机设计所正在全力攻关歼9战斗机项目。后来,随着国防策略的调整,歼9项目下马。但通过歼9项目的锻炼,成飞以宋文骢为首的技术团队已经成型。后来,成飞以宋文骢为总设计师赢得了中国第三代战机――歼10战机的项目。从1986年开始,对中国航空工业有着划时代意义的歼10战机计划正式启动。为了配合歼10战机的研制,1986年新一代大推力涡扇发动机在沈航正式立项。

涡扇-10“太行”发动机相对于当时的沈发厂犹如一支强心剂。由于国防政策的调整,致使沈发厂在涡扇发动机方面数次饮恨,铩羽而归。特别是几年前的涡扇-6的下马差点让沈发厂一蹶不振。而涡扇-10发动机项目的到来,重新凝聚起这支卯足劲准备一雪前耻的队伍。此时的沈发厂发经过涡扇-6的历练,对未来的涡扇发动机有了全面的了解。同时,当初“斯贝”发动机准备落户沈阳,后虽西迁,但沈航发对“斯贝”发动机的优秀设计理念、先进的材料加工、精美的零部件工艺等方面都有了深刻的了解。可以说,当时的沈发厂具备了一定的技术基础。同时,根据很多资料显示,当时的中国人对世界上几款主要的三代航发F100、F110、F404、RB199都有了一定的技术跟踪发展,而中国有关部门通过进口美国的波音客机也得到了其匹配的动力CFM56-3发动机。这种发动机的核心机就是F101核心机。而F101核心机的衍生就是F110的核心机。虽然,F110发动机的技术含量之高不是只是通过引进实物就可以仿制,但完全可能从直观上对当时世界级航发有了一定的了解。因此,沈发厂当时努力的目标正是F110-GE-129发动机。随后也开始了核心机的改进工作。由于有了前述的诸多基础铺垫,涡扇-10发动机在1987年就进入了验证机研制阶段。虽然沈发厂前期准备工作十分充分,但有工业之花之称的现代航发的技术难度之高绝不是笔者简单寥寥之语那样的轻描淡写。沈发厂虽然努力攻关几年,涡扇-10的验证机仍没有能实质性的突破。正在沈发厂两难之际,中国北方的超级大国苏联解体了。新生的俄罗斯为了急需的“硬通货”,把苏联时代的顶级战机苏-27出口到了中国。

苏-27战斗机的标配动力AL-31F发动机立刻成为中国突破第三代航发的催化剂,黎明发动机公司(原来的沈阳航空发动机厂改制而来)以AL-31F发动机为标准,结合此时陷于徘徊中的前期研究,立刻突破了涡扇-10发动机的相关技术瓶颈。1993年,终于完成涡扇-10的验证机。

由于涡扇-10久拖未决,急需“心脏”的歼10战机趁此契机也选用了苏-27战机的动力AL-31F作为主动力,得以顺利进行以后的研发工作。中国军队对苏-27的使用十分满意,随即中国开展了苏-27战机的国产化工作,即歼11系列战机。为了摆脱最大的一道障碍,中国考虑用涡扇-10作为歼10、歼11这两种对中国国防有着重要意义的战机动力,并申请了一架苏-27战机作为试飞平台。可以说,这是一个极富风险的选择。中国的两款主力战机“心脏”都押宝在涡扇-10发动机身上,一旦失败,对中国国防和航发工业发展将造成灾难性的损失。不过,虽然涡扇-10发动机的推进进度不快,但这次中国在经历了屡次失败后对航发的发展思路已有了清楚的认识。这次不但没有草率的取消涡扇-10发动机,还给予全力的支持。同时,中国科技人员群策群力,继续推进涡扇-10的研发。在中国上下一致的群体努力下,1997年进入发动机与型号匹配的突击阶段;2000年底,涡扇-10发动机进行高空试车;2002年6月安装在的苏-27试飞平台进行首飞;2002~开始试装歼10战机进行试飞。可以说这一年的试飞阶段是涡扇-10发动机研制工作的决战阶段。由于对发动机规律的认识和把握上还有不小差距,如质量管理和工作作风等方面存在一定问题,导致研制工作在这一年的关键试验中出现了两次重要问题:一次是发动机在试车时,发动机发生了高压压气机四级盘破裂事故;另一次是在高空台模拟试验和调整试飞中,先后暴露出一些技术问题,如高空小表速发动机加速慢等问题。试飞飞机在8月下旬至9月上句的试飞中,5个起落出现了3次“特情”。夏天,“太行”发动机在新型规定试飞时发生发动机空中停车,虽最后利用另一台发动机飞机实现安全返航,但让涡扇-10的研制工作陷入了被动。虽然涡扇-10困难重重,但中国上下并不气馁。黎明公司与行业内外专家共同分析排故对策,并进一步做好故障研究和故障分析工作,先后完成17份故障计算、研究、分析报告,解决了如地面喘振、空中异响、试车温度异常等一系列试飞问题,最后恢复了涡扇-10的定型试飞。

涡扇-10“太行”发动机成熟定型,进入细节完善阶段。就在涡扇-10定型前后,中国大量官方媒体对空军5719发动机维修厂进行了大量的表彰报道。文章透露,中国空军成功将俄制AL-31F发动机的寿命从900小时延长至1500小时。那么空军5719维修厂是如何做到的呢?据报道,主要是利用了三项关键技术:高温合金涡轮叶片再制造技术、粉末冶金涡轮盘再制造技术和自动微弧等离子焊接技术。这三项关键技术不但对AL-31发动机的延寿大有裨益,对中国涡扇-10“太行”发动机的成熟也起着关键的作用。

高温合金涡轮叶片再制造技术

涡轮作为喷气发动机的核心部件,长期工作在超过1000摄氏度的高温和巨大离心式旋转的恶劣环境中,负责将燃烧的高温燃气的热能和势能转化为动能。对加工制造有着近乎苛刻的要求,是最能体现航发技术水平的核心部件。AL-31F发动机为了提高涡轮叶片的耐高温性能,主要利用两个方法来解决:一、AL-31F叶片采用жC26定向凝固合金精密铸造,也就是通过精密铸造技术干预高温合金结晶,使其内部晶体结构都向着受力方向延伸,极大改善叶片承受高速旋转离心力的性能;二、叶片采用空心气冷冷却手段,所有叶片内部都是空心的,并有复杂的气流冷却通道,利用外部冷空气强行冷却叶片。AL-31F发动机通过这两项绝技,大大改善了性能,但也极大地增加了在其损坏后叶片再制造的难度。一台现代化的涡轮叶片的价值数倍于同等重量的黄金,若轻易的放弃损坏的叶片,日常使用代价过高。因此,对叶片再制造,提出了不亚于制造新叶片的挑战。涡轮叶片再制造就是将损坏涡轮叶片修复,完全使其能像全新的叶片一样能重新使用。AL-31F发动机的жC26定向凝固合金涡轮叶片修复损坏处时必须保证新铸造结晶与原来结晶方向吻合,也就是新修部分不仅与原来的叶片必须融为一体。在高温强受力环境下不会分崩离析,而且还要保证涡轮叶片复杂的内部气流通道畅通。由此可见,其修复难度之高。5719维修厂通过对定向凝固高温合金叶片再制造技术的掌握,不仅实现涡轮叶片极高的回收,重新利用,节省了大量资金和贵重金属的消耗,还让中国摆脱了高性能涡轮叶片需要进口才能进行发动机维修更换的被动局面。而此项技术的掌握对涡扇-10发动机在以后的使用维护性方面大有裨益。

粉末冶金涡轮盘

粉末冶金就是将金属原料用超声波冲击成极为细腻的金属粉末,然后在模具中注入粉末进行高温锻造。通过高温高压将粉末压成一个极为致密的部件。此项技术对航发的翻修寿命有着直接关系。

在航发内部的众多的涡轮叶片是安装在涡轮盘上,叶片上的巨大离心力负载最终全部由涡轮盘来承受。同时,涡轮盘前缘和叶片直接接受从燃烧室中被加温加压后的燃气冲击,压力温度最高。而连接在主轴上的内缘的工作温度和压力相对较低(两者相差可达数百摄氏度)。这导致整体涡轮盘的内外缘受热程度不同,变形程度也不同。这种变形一般被称为“蠕变”。

如果涡轮盘的抗蠕变能力不足就很容易让出现裂纹的涡轮盘在巨大离心力的作用下碎裂,限制发发动机的寿命,甚至影响发动机的安全使用。由于苏联并没有完全掌握大直径粉盘的制造工艺,其发动机的寿命向来短少。以苏俄航发的经典之作――AL-31F为例,由于苏联没有攻克大直径粉盘的制造工艺,只能采用ЭⅡ742-ИⅡ高强耐热合金制作涡轮盘。抗蠕变性较差,且让合金的疲劳寿命也极短。同时,苏-27战机在飞行中常发生大幅度的工况变化,发动机常处于大推力到小推力之间反复出现,这导致涡轮盘经常要面对从低温到高温、从低速到高速的剧烈变化,很容易发生金属疲劳。这就更加造成AL-31F发动机的翻修寿命短的原因。AL-31F系列发动机的翻修寿命只有300小时,总寿命只有900小时,这样可怜的性能数据与苏联没有掌握大直径粉盘制造工艺有着不可推卸的责任。

根据国际上流行的说法,美国航发的翻修寿命是苏俄的2倍,总寿命是苏俄的4倍。也就是说,美国的发动机1台顶4台苏俄发动机。与美军相比,装备苏俄发动机的空军后勤压力和保障难度更大。在和平时期,中国空军部队大概一年左右时间就需要将战机上的发动机拆下,运回维修厂进行翻修。和平时期的这样举措不过是增加费用,影响战备训练而已。但在战时,作战飞机的持续作战能力就会因发动机寿命不足而大打折扣,会让空军陷入十分被动的境地,甚至是输掉战争。因此,中国自从进口苏-27战机后就开始了这方面的改进工作。历经十余年的攻关,现今已结出硕果。据报道,5719维修厂掌握了粉末冶金涡轮盘的再制造技术,不但为AL-31F发动机更换了粉末冶金涡轮盘,而且还掌握着新粉盘的制造技术。这项技术为AL-31F的总寿命的延长立下汗马功劳。当然,中国也绝对会把这些如此重要的技术应用到涡扇-10发动机上。据公开资料显示,涡扇-10发动机启动之时,正值中国新军标执行之时,并且严格贯彻到航发工业发展中。因此,据估测“太行”的翻修寿命达到了800~900小时,总寿命在2000小时左右。1台“太行”发动机可以顶3台AL-31F发动机。

自动微弧等离子焊接技术

所谓等离子就是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体。在温度谱上可以将其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。后来,等离子被运用到诸多高科技行业,其中在航发的焊接运用可算得上是技术含量最高之一。等离子焊接原理就是将等离子射流穿过整个焊缝,并形成一个小孔。这个小孔随电弧的前移而闭合,等离子射流经过之处部件被高温熔化,射流经过之后,部件则融为一体。这项技术对航发的整体叶盘制造和风扇氩气机叶片再制造有着不可或缺的关键因素。

一般来说,航发的压气机和涡轮风扇叶片因加工工艺要求高,且难度大,不能一次性一体做成,只能用叶身下的燕尾形榫头装在轮盘轮缘榫槽中,再用锁紧装置将叶片锁定。如此做法,对一般的机械加工制造那是没有任何问题,但对工作在环境恶劣的涡轮发动机中却不行。榫头、榫槽的存在会使涡轮风扇和压气机的零件数目急剧上升,增加制造难度、结构繁杂,增加加工工艺、重量增加,影响性能,并且在发动机内部经过高温高压作用下的空气极易在榫头和榫槽之间窜流,造成压气机和涡轮风扇性能急剧。为此,各国都想尽办法解决这项难题。在20世纪80年代中期,出现了一种称之为“整体叶盘”或简称“叶盘”的结构,彻底解决以上问题。但要制造出“叶盘”就必须要求焊接工艺一定要达到能让两个部件完全融为一体的技术水平。一般要采用电子束焊接、线性摩擦焊接或者等离子焊接。5719维修厂通过掌握自动微弧等离子焊接技术不但可以将已报废的发动机风扇或压气机叶片经过一系列工序之后,用等离子焊接技术重新制造出全新的风扇和压气机叶片。而且这项技术也是中国冲击下一代高推比发动机的关键技术之一。有了这项技术,不但为中国未来第四代航发的整体叶盘制造扫清障碍,更可以为涡扇-10“太行”发动机的精益求精添砖加瓦。

据涡扇-10“太行”发动机的总设计师张恩和透露,“太行”的最大推力在132千牛,涡轮前温度为1747K。这么高的涡前温度在三代发动机中也是少见的。涵道比为0.78,风扇为3级轴流式,可变弯度进口导叶,压比3.4,压气机采用9级轴流式,高压压气机(压比12、绝热效率85%)。高压压气机0~3级静叶可调,5级后放气;燃烧室为短环形带气动雾化器喷嘴;高压涡轮是1级轴流式;低压涡轮为2级轴流式;加力燃烧室是V形加径向混合型火焰稳定器;尾喷管是收敛一扩张可调喷款,估计将来可能会更换全向推力矢量喷管;发动机的控制系统早期型号采用电子数模混合控制系统,后期将采用全权限数字控制系统(FADEC);支承系统为高压转子为1-0-1,低压转子为1-1-1。根据公开的资料显示,主要是因为涡扇-10采用了许多新技术才能达到这样华丽的技术指标。

在“太行”发动机的早期型号上,其高压涡轮叶片采用的是D1125定向凝固合金,但定型批量生产的叶片全部采用DD6单晶合金。涡轮盘据信早期型采用的是GH4169高强合金,后期采用的是FGH95粉末合金。

中国在研制涡扇-10时的后期接触到了AL-31F发动机。对AL-31F的喘振裕度大、抗畸变能力强的特点深有体会。因此,涡扇-10定会借鉴AL-31F的设计经验。据公开资料显示,涡扇-10在定型不久便开始了一系列的改进计划。据称,改进型的推力可能接近F110-GE-134,达到了155千牛;而在涡扇-10发展时,核心机模式也被中国航发工业定为基本原则之一。因此,性能先进的涡扇-10绝不会被视而不见,中国已将其燃气发生器列为核心机之一。若将来涡扇-10改进为大涵道比、加力型则可满足轰炸机的动力,而大涵道比的无加力型则可用于运输机,甚至是大飞机。可以说,涡扇-10的成功不仅汇集中国航发工业几代人的智慧和心血,也是中国吹响进军航发工业强国最嘹亮的号角。

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