雄关漫道真如铁1 投稿:姚曮曯

漫道雄关真如铁--------中国发动机的发展 太行是大家十分关心的大推力发动机,关于他的由来和今后的发展也是众说纷纭,莫衷一是。本人特就中国发动机的发展和太行的关系与各位同好探讨一二。当这篇文章正在撰写时,喜讯传来,太行已正式公开。 缘起 涡喷发动…

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漫道雄关真如铁--------中国发动机的发展

太行是大家十分关心的大推力发动机,关于他的由来和今后的发展也是众说纷纭,莫衷一是。本人特就中国发动机的发展和太行的关系与各位同好探讨一二。当这篇文章正在撰写时,喜讯传来,太行已正式公开。

缘起

涡喷发动机的原理很简单,就是作用力和反作用力的牛顿第三定律的原理,可真正从原理到上天,人们用了几个世纪的时间。

1913年法国工程师勒内·罗兰提出的一种喷气推进发动机取得专利,但这是一种冲压式空气喷气发动机,那时既不可能制造又无处使用。1930年,英国工程师弗兰克·惠特尔获得了第一个用燃气涡轮产生喷气推进的专利,但一直到11年后他的发动机才完成了第一次飞行。 1934年德国人汉斯·万·奥海因率先试制成功世界上第一台喷气发动机。1937年4月12日弗兰克·惠特尔试制成功英国第一台喷气发动机。但试运转并不理想,几经挫折,于1941年装上了格洛斯特战斗机。英国在40年代最主要的军用涡喷发动机有德温特河,尼恩等。特别是尼恩,它可以说是大多数现代发动机的鼻祖。苏联在40年代末的时候引进了尼恩,其仿制品就是ВК-1,而ВК-1Ф在ВК-1的基础上增加了加力燃烧室。这样,飞机的瞬时推力可以增加很多。中国的发动机就是从ВК-1Ф起步的。

ВК-1

发动机,可以说该发动机是中国发动机的启蒙老师

ВК-1发动机的结构

随着朝鲜战争的结束,中国人民空军的战斗机也在进行着新一轮的更新换代。飞机和发动机的制造也提到了国家的议事日程上来。之后,我国开始仿制苏联的发动机,涡喷5,涡喷6,涡喷7等一系列发动机的仿制增强了中国航空工业的实力。可仿制也有尽头,随后的事件证明,没有真正的自主研制,中国的发动机还是要受制于人的。

人是要有点精神的,中国挺过了3年困难时期,原子弹和氢弹的爆炸震惊了世界,也鼓舞着中国人民的士气,一个大胆的想法在航空动力人的心中产生,研制自己的发动机,最新式的涡扇发动机。

当时该发动机的代号是910,也就是我们后来俗称的涡扇6,当时的想法是把该发动机的加

力型作为新研制的歼击机歼9的动力,而把该发动机的无加力型910甲作为轰6和运9以及大型客机的动力。可国家正在动乱之中,这个新生儿又怎能幸免于难呢,发动机的研制的进程走走停停,试车过程中喘振不断。

-------“它的理想是九霄之上的凌云志,为自己的母亲去赢得一份安宁,可重重的桎梏,锁住了它不甘寂寞的身躯。”

有开始就有终结,再苦难的日子终究还是有个头,WS6熬过来了,迎来了飞行前50小时试车,可百废待兴的祖国已经无法将它养大,它下马了,它死在襁褓之中,尽管它已经不小了。16年的心血,得到的竟是这样一个结果,606人欲哭无泪,总结会变成追悼会,有些人从此就离开了自己心爱的事业,中国的航空动力之路怎么就这么难, 此时的动力人是拔剑四顾心茫然,念天地之悠悠,独怅然而泪下。 而此时,30而立的共和国在航空发动机自主研制方面还是一片空白。“心脏病”,再次成为中国航空的阿喀琉斯之踵;涡扇6,是中国航空动力人永远的痛。

WS6发动机的技术数据

最大加力推力(daN)

  WS6     12220

  WS6G     13830

中间推力(daN)

  WS6     7130

  WS6G     8385

  WS6甲    10169

加力耗油率[kg/(daN·h)]

  WS6     2.3045

  WS6G     2.338

中间耗油率[kg/(daN·h)]

  WS6     0.6342

  WS6G     0.7850

  WS6甲    0.6000

推重比

  WS6     5.93

  WS6G     7.05

  WS6甲    4.69

空气流量(kg/s)

  WS6     155.0

  WS6G     151.2

  WS6甲    274.5

涵道比

  WS6     1.0

  WS6G     0.633

  WS6甲    1.74

总增压比

  WS6     14.60

  WS6G     17.50

  WS6甲    19.72

涡轮进口温度(℃)

  WS6     1077

  WS6G     1207

  WS6甲    1107

最大直径(mm)

  WS6     1370

  WS6G     1370

  WS6甲    1460

长度(mm)

  WS6     5645

  WS6G     4654

  WS6甲    3080

质量(kg)

  WS6     2100

  WS6G     2000

  WS6甲    

2210

涡扇6发动机

涡扇6发动机的结构

从零开始

我不能给大家许诺什么,我所能付出的只有热血、辛劳、眼泪与汗水,你们要问我的政策是什么?我的回答是竭尽一切可能和投入全部力量,在海上、在陆地、在空中进行战争。你们要问,我们的目标是什么?我可以用一个词来答复,胜利。不惜一切代价争取胜利。不论道路多么遥远,多么艰难,也要去夺取胜利。

1940年5月13号

丘吉尔于英国下院

1940年8月9号,也就是在德国空军大规模空袭英国的前一天,丘吉尔通过全国广播公司进行战争动员。英伦三岛64%的人在听着丘吉尔的演说,这些人伫立在街头,行走在马路、田间、车间、庭院听着。那时候没有电视,只有广播。丘吉尔问:我们泄气了吗?就这些站在马路上的英国人回答:没有,我们没有泄气!

80年代的中国航空动力或许只有用万马齐喑来形容,但冰封的河面之下却是涌动的春潮,也许只有用丘吉尔的演说词才能形容人们此时的心情。我们没有泄气,我们只是在积蓄力量。一旦春天到来,那雨后的春笋就将破土而出

1北海来风

盎古鲁撒克逊人历来是精明的商人,古板而不死板,保守而又务实。自东亚某国建国以来,他们从来没中断过与该国的关系。70年代初,随着中美关系的解冻,英国人来了。

1972年,英国同意向我方单方面出售民用”斯贝”发动机,1973年7月17日,英方又约见我驻英大使,表示已授权罗·罗,谈判向我方出售军用斯贝发动机,1975年8月,中英双方进行实质性谈判。1975年12月13日,签定了中国引进英国斯贝发动机专利的合同。

斯贝发动机,中国型号定名为涡扇9,定点西安航空发动机厂试制生产。西安航空发动机厂于1976年开始试制工作,此前西安生产的是涡喷8,是仿制苏联的РД-3М的产品,用于轰

6。经过3年多的努力,1979年下半年,分两批装出了4台发动机。同年11月,由中英双方共同在中国完成了150小时持久试车考核。1980年2月到5月,又在英国完成了高空模拟试车、零下40摄氏度条件下的起动试车,以及5大部件的循环疲劳强度试验,结果都符合技术要求。中英双方代表签署了中国制造涡扇9发动机考核成功的文件。涡扇9发动机的初步研制成功,使中国有了一台推力适中的涡扇发动机,填补了空白,并有效提高了自行研制的水平和能力;通过试制引进了70年代水平的新材料、新工艺、新技术,机械加工工艺比原来提高一级精度以上,工厂掌握了诸如金属喷漆、真空热处理等12项具有世界先进水平的技术和46项国内先进工艺技术。同时,国内冶金、材料、化工、机械等工业的技术水平,也相应得到提高,从而较大幅度缩短了整个发动机制造技术与世界水平的差距。而且,斯贝发动机的引进还为航空工业迎接新时期的改革开放,引进先进技术,开展技术合作与交流,提高发动机及配套产品的技术水平,开了个好头。

需要指出的是如果没有涡扇9,那飞豹也就前途未卜了。但由于种种原因,WS9的研制一直踌躇不前。90年代初期,随着飞豹研制工作的展开,涡扇9的全面国产化工作也提到议事日

程上来,95年11月,部分国产化的涡扇9通过150小时试车,此时涡扇9的国产化率已达到70%,仍有部分零件不能生产。1999年下半年,涡扇9发动机全面国产化工作启动,西安航空发动机厂先后攻克无余量精锻(精铸)工艺,数字式电子控制系统等一系列难关,西航集团公司仅用了20天时间就完成了发动机的装配,在成功进行了两次冷运转后,于2000年底一次点火成功,随即开始的150小时工艺试车于2001年圆满结束,试车检验结果表明各项性能技术指标均达到要求,涡扇9被重新命名为秦岭发动机,2002年6月1日上午,凝聚着西航航空人无数心血和汗水的秦岭发动机首飞成功。2003年7月该发动机通过技术鉴定,从此,中国开始有了全国产的大推力涡扇发动机。

斯贝发动机的原型改自民用发动机,因此也秉承了民用发动机耗油率低的特点。约翰牛的务实精神在斯贝发动机上体现得淋漓尽至;可靠,喘振余度高是斯贝的最大的特点,斯贝也正象一头老黄牛一样,勤勤恳恳,任劳任怨。斯贝是最早采用三元流技术的发动机,该理论是我国著名航空发动机专家吴仲华教授提出的。但是斯贝的推比却是长期以来一直被人们所诟病的,的确,斯贝的推比太低了,其推比与WP7相比也是非常低的,要知道WP7的原型Р11Ф-300发动机只是50年代初的技术,50年代中期的产品。罗罗也确有改进斯贝的计划,可最终因为需求少而迟迟没有启动,这里,读者不妨以另外一种发动机做比较,那就是雄猫之心TF30,该发动机最早也是民用型,当时的代号叫JTF-10A,但未获得应用,1961年末,美国空海军提出了F111战术战斗机的设计要求,并选中JTF10A的军用加力型TF30-P-1,该型发动机于1962年夏在B-45飞行试验台上开始飞行试验,1964年12月装于F111A首次飞行,1965年8月完成定型试验,并用于F111A的发展型和头5架的生产型,,最初的TF30的推比只有5.0和斯贝MK202相同,而到了F111F所装的TF30-100型,其推比达到了

6.3,类似的经历,不禁使人浮想联翩,既然TF30能从推比5.0提高到了6.3,那斯贝

MK202呢??如果把斯贝的风扇换掉,使用高效率,高压比的风扇的话,斯贝的推力肯定可以增加不少,如果再替换高压段,采用预研的核心机技术,把高压压气机和高压涡轮换掉,更新燃烧室的话,推力肯定还会增加,在增推方面可以做的,在减重方面也可以做到,毕竟斯贝MK202的材料都是30年前的了,如果在压气机叶片上广泛采用钛合金,在高压涡轮叶片上采用单晶合金,并在涡轮盘材料上采用粉末盘,整体叶盘技术,风扇叶片采用复合材料,空心宽弦风扇叶片,这样重量完全可以大大减轻,由此可见斯贝推比增加的潜力是巨大的,短期估计能达到6.5,远期在7.0

以上也是可能的

TF30发动机

装TF30的

F111

WS9涡轮风扇发动机结构

涡扇9发动机及其喷

装备WS9的飞豹

2阿拉伯人的友谊

中国和阿拉伯人的友谊源远流长,远自唐代就有交往,而在现代,中国人的武器更是源源不断的武装了我们的伊斯兰兄弟,看看中华人民共和国的武器出口史,可以说就是和阿拉伯世界的友谊史,当然有来就有往,我们付出了,就有了回报,70年代末,我们得到了我们想要的东西,米格21MF和米格23,附带的发动机我们也得到了,那就是Р13Ф-300和Р29。

自从研制了Р11Ф-300以后,图曼斯基设计局一刻也没有停止过对该发动机的改进,随后的Р13Ф-300和Р25就是它的直系后代,当然在千里之外的中国,人们也在做着同样的努力,空心涡轮叶片的研制成功,使中国继美国之后成为第二个拥有该技术的国家,以致于若干年后罗罗的总师胡克看到这一成果时说的第一句话就是不虚此行。但随后的岁月里,封锁和动乱使WP7的改进陷于停滞,直到我们得到了Р13Ф-300,有很多人认为WP13就是Р13Ф-300的仿制品,而国内的权威刊物则称该发动机是涡喷7的发展型,但笔者认为WP13既不可能是仿制品,也不可能就是简单的来自WP7,它极有可能是参照了Р13Ф-300的设计,在WP7的基础上研制出来的,在研制过程中WP13开始在压气机上采用钛合金,取代了原本的合金钢,当然WP13也吸取了WS6的成果,(WS6在风扇的用钛量上已经很高了)同时参照了WS6的结构,WP13的某些改型在涡轮叶片上用定向凝固合金取代了合金钢,这样既减轻了重量,又提高了涡前温度,WP13的空气流量相比WP7略有提高,尺寸也有所加大,加力燃烧室的火焰稳定器开始采用我国的沙丘驻涡技术,高压压气机级数相比WP7增加了两级,这样压比也有所提高,循环参数的变化使WP13的推力明显增加,满足了80年代战斗机对发动机推力的需求,也使我国初步步入能参照设计研制中等军用加力涡喷发动机的国家,环顾当时的世界,除了几个发动机大国,美、英、法、苏之外,能做到这点的也只有中国了。日本和印度当时的情况都处于授权制造阶段,而且国产化率还很低,即使到了今天,日本也只不过是初步具有了研制中等推力发动机的能力,但成果还没出来,日本的中等推力大涵道比发动机XF-710至今还未研制成功,至于印度的卡佛里发动机研制完成还是遥遥无期,印度的基础设施建设还未搞好呢,印度卡佛里发动机的飞行台和高空台试车都是在俄罗斯进行,发动机的零部件转包给欧洲国家进行研制,印度人认为搞发动机就象搞软件一样轻松,可事实证明他们太天真了。印度象显然不能称为

有自主研制能力的国家。

Р-11Ф-300发动机,WP7就源自该发动机

Р-11Ф-300

发动机的结构

WP7A

发动机结构

WP7F

发动机

Р-13发动机

Р-25发动机

WP13F

发动机结构

WP13B发动机

WP13B是WP13的大改型发动机,主要的改进是更换了低压压气机,使低压压气机的压比增加,流量增大,效率提高。该系列发动机的研制始于91年,95年进行性能摸底试车,当时达到的加力推力为68.65千牛(7吨),不加力推力达到47.56千牛(4.859吨),重量为1.28吨。96年春节过后上高空台用了2个月的时间进行了10次高空模拟试验,4月12日返回黎阳进行150小时长期试车的考验,99年被军方列为重点型号,02年6月16日进行全寿命考核长期试车,03年定型,13B2属于B的增推型号,推力约为7300KG,13F2是13B的适应性单发改型,97年8月顺利通过地面试车,98年6月8日装歼7FS首飞。现13B2已开始配装歼八2F战斗机。

纵观世界中等推力的涡喷发动机发展,7吨推力或许是个阶段性的标志,如果越过这个界标前面就是一片坦途,美国人的J79是这样,法国人的阿塔9K50是这样,英国人的埃汶300也是这样,俄罗斯人的R25更是这样,有了7吨推力的涡喷发动机,战斗机的研制基本就没问题了,尽管5吨推力的发动机就能实现2倍音速的飞行,但要实现更好的机动性和起飞性

能,7吨是个临界点。

在这些发动机中J79的重量最重,有1.8吨,几乎可以和大推力的F110发动机的重量相提并论,当然它出来也早,推比也低。但在当时,J79的重量是相当轻的。相比J57和J75,它轻多了,可以说J79是美利坚60,70年代的当家花旦。第一种超过2倍音速的单发战斗机F104,A5双发超音速攻击机,F4重型舰载制空战斗机用的都是它。甚至于犹太人的幼狮也想到了它。有了J79,幼狮的性能连高傲的美国人也不敢忽视,这也难怪,动力是自家的嘛

J79发动机,鬼怪的心脏,看得出,很细长

再看阿塔9K50,如果用一个词来形容法兰西人的动力,那就是勤勉,高卢人的喷气发动机是在条顿科学家的帮助之下发展起来的,从阿塔101到阿塔9K50,高卢人搞了近20年,推力从1吨起步,一直搞到了7吨,尽管它还是单转子的,但法兰西人从此出师了,发动机四强的桂冠戴在了高卢雄鸡的头上,有了阿塔9K50,法国人也可以玩玩2倍音速常规布局的飞机了,虽然幻影F1的推比相比幻影3降下来了,可起降性能却上去了,如果说幻影3上用无尾布局是由于阿塔9B的推力太小的无奈之举,那现在看来阿塔9K50的推力是足够了。

阿塔9K50

发动机

以色列装备阿塔9的幻影3战斗机

装备阿塔9K50的幻影FC1

英吉利人的产品与其说是工业品,更不如说是艺术品,埃汶300也不例外,作为英国第一种轴流式发动机AJ.65的发展型,英国人从来就是精益求精,而且英吉利人从来相信慢工出细活,1945年,二战刚刚胜利的那年AJ.65就开始研制了,而埃汶300的研制开始于50年代,,1951年,罗罗在埃汶100的基础上搞出了埃汶200,随后又搞出了埃汶300。埃汶300和闪电战斗机成为了一对绝配,闪电在短时间内的跨音速巡航,就得益于它有一颗强劲的心脏,闪电的加速性极好,甚至超过他的晚辈F15,要知道F15的推力几乎比闪电大一倍,而埃汶300的推比要比F15的发动机F100和F110小的多。

埃汶203

发动机

装备埃汶系列发动机的闪电战斗机

R25的动力是强劲,任何人都不应该轻视他。60年代后期,图曼斯基设计局在P13-300的基础上发展出了P25-300发动机,并将他装备米格21比斯战斗机,P25主要做了如下改进。

1)重新设计低压压气机,压比由8.85提高到9.1,进气流量也有所增大。2)为提高加力状态的推力,加力状态的喷口直径缩小了4~10厘米,涡前温度提高50~80度。R25虽然相比J79,阿塔9K50以及埃汶出来的要晚,但性能上却有过之而无不及,可以说在以上这些发动机中,R25的压比最低,压气机级数最少,但推力几乎和其它发动机相等,而且重量也较轻,有了R25,米格21比斯的增重才能成为现实。

WP13B的出生相比以上这些发动机实在是太晚了,但晚未必是坏事,正因为有了

WP13B我们才完成了从发动机制造国向发动机设计国的一次转型,可以说WP13就是一个转折点。

至于R29,国内编号WP15, 国内曾想仿制,后来由于没有装机对象转入技术储

P29发动机,当时考虑作为歼13的动力

3高空台上的跨越。

中国很早就想搞高空台,高空台是一个发动机大国的标志。可长时期以来没有自己的高空台一直是中国航空动力人的悲哀,什么时候有中国人自己的高空台一直是中国几代航空人魂牵梦萦的心愿。

高空台短时间内无法完成,航空人想到了飞行台。中国的发动机高空试验正是从

086(226)飞行试验台起步的。该飞行台是在60年代确定方案,由轰6改装而来,1971年完成全部改装。226飞行试验台可以试直径1~1.5米,重量小于3.6吨,推力不超过16.5吨的各类涡喷和涡扇发动机,其试飞包线为高度1万2千米,最大M数0.88,最小飞行速度

350KM/H。试验发动机安装在由弹舱改装的发动机吊舱内。试验过程中吊舱可以收放,应急时可以抛掉,以保证飞机安全。为防止被试发动机发生意外,吊舱配有很强的灭火系统,被试发动机由两名空中试验员操作,226飞行试验台可以在真实飞行条件下完成规范要求的试验项目和专题性攻关,预研项目。已进行过的试验项目有:

发动机风车特性试验

发动机空中起动试验

发动机加、减速试验

加力燃烧室接通、切断和工作稳定性试验

发动机防喘系统试验

进入80年代,086飞行试验台又进行了较大的改进和改装。该机经历了30多年的试飞生涯,担负了不少重要型号发动机的空中试飞,如

WP5、WP6、WP7、WP8、WP11、WP13、WP14、以及WS11、WEJ11等国产发动机 。为国产战机定型和装备部队立下了汗马功劳,尤其值得指出的是1992年10月086进行国产验证型涡轮风扇发动机(太行的验证型)试验的时候,发动机风扇叶片在高速旋转下断裂并击穿了吊舱隔板,并打坏了母机右起落架的液压控制系统,造成该起落架无法正常收放,为保存这台来之不易的珍贵发动机,机组人员决定冒险进行2点着陆,虽然着陆造成右机翼损坏,但发动机却被完整的保存下来。如今,086飞行台已经退役,而第二代以伊尔76为平台的飞行台已经开始服役。

飞行台虽然可以解燃眉之急,但高空台的有些数据是飞行台无法代替的,从1965年开始经历了30多年的建设之后,中国的高空台才傲然屹立于四川的崇山峻岭之间。有着亚洲第一台之称的SB101试车台(1号舱)是一个连续气源的直接连接式高空模拟试车台。可模拟飞行高度最大为25公里、模拟飞行速度最大为2.5倍音速、满足标准海平面状态下空气流量为120公斤/秒的航空喷气发动机模拟试车的需要。之后我们在九五期间先后完成了SB121(3号舱)涡轴发动机试车台以及(4号舱)小型航空发动机试车台。“十五”期间,科工委批准了2#高空舱的建设立项,该项目是航空发动机行业内单台套设备投资最大的建设项目。

  2号高空舱建成之后,不仅可以满足我国新一代发动机研制高空模拟试验的需求,而且能够缓解现有的1号高空舱试验任务繁重的压力,还能够完善和拓展SB101高空台的设备能力。当2号高空舱建设完成后,624所就建成了包括1号舱、2号舱、3号舱、4号舱在内的、能进行流量从2kg/s至150kg/s的涡喷、涡扇、涡轴发动机高空模拟试验的高空台群。现在,2号舱已经开始施工建设,初步预计在2009年前后建成。

在此我们不妨比较一下日本的试车台,日本的试车台93年开工,01年完成,流量在70KG/S,显而易见日本的高空台流量稍微低了点,直接的后果就是推力也稍低点。以日本的高空台的水平而言,要完成中推不算困难,但完成大推显然是很困难的。

流量为700KG/S的巨型台一直是发动机强国的标志之一,有了700KG/S的巨型台,就能完成推力在20吨左右的大涵道比发动机,20吨也就是波音747客机的单台发动机的推力,这也就意味着能研制超大型运输机了。就我国现在的实力而言还不能完成巨型台,但我相信

漫道雄关真如铁--------中国发动机的发展 太行是大家十分关心的大推力发动机,关于他的由来和今后的发展也是众说纷纭,莫衷一是。本人特就中国发动机的发展和太行的关系与各位同好探讨一二。当这篇文章正在撰写时,喜讯传来,太行已正式公开。 缘起 涡喷发动…

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