世界先進航空發(fā)動機點評

1、機在研制過程中,更加突出可靠性和維護性要求,通用電氣公司將作戰(zhàn)適用性放在首位,并不追求過高的性能指標,而 且采用經(jīng)過驗證的最新技術(shù),保持發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠,這對于F404發(fā)動機的成功研制起到了關(guān)鍵作用。F404加力推力為71.2千牛,推重比 7.24,高壓壓氣機的穩(wěn)定工作裕度達到25%。除了F/A-18戰(zhàn)斗機外,為滿足不同戰(zhàn)斗機的需求,通用電氣公司還研制出F404發(fā)動機的多種改型,分別 用于A-6F、JAS-39(在F404-GE-400基礎(chǔ)上改進而來的RMl2和LCA等戰(zhàn)斗機上,還曾經(jīng)計劃用于A-12隱形攻擊機的改進型。根據(jù)美國海軍發(fā)展F/A -18E/F戰(zhàn)斗機的需要,通用電氣公司以F

2、404發(fā)動機為基礎(chǔ),充分利用多項成熟技術(shù),成功地研制出F414發(fā)動機。為提高推重比,F414發(fā)動機主要通 過增大空氣流量、提高增壓比、增加渦輪前溫度、減輕結(jié)構(gòu)重量等措施,使加力推力達到98千牛、最大推力達到60千牛,分別比F404發(fā)動機提高 了38%和28%,從而使推重比達到9.1,通過漸改使發(fā)動機達到一個新的水平。俄羅斯毫不遜色俄羅斯戰(zhàn)機上配備的典型發(fā)動機主要是RD-33和AL-31 。為了滿足米格一29殲擊機的高空、高速性能的需要,俄羅斯的克里莫夫設(shè)汁局研制出RD-33渦扇發(fā)動機,特別突出了高度、速度特性。由于米格 -29戰(zhàn)斗機是一種輕型前線殲擊機,因此RD-33發(fā)動機的最大直徑受到限制,

3、空氣流量只有76千克/秒,涵道比0.48,因此加力推力只有81.4千牛,與 美國的主要發(fā)動機相比略低一些,但在總體性能上卻毫不遜色。首先是推重比高。RD-33發(fā)動機的4級風(fēng)扇、9級高壓壓氣機和混合器等部件都大 量采用鐵合金,明顯減少發(fā)動機重量,因此推重比達到7.8。為提高渦輪前溫度,RD-33發(fā)動機的單級高壓渦輪采用了單晶葉片和粉末冶金盤,單級 低壓渦輪采用了對流冷卻葉片,從而在起飛狀態(tài)達到154OK,在高速飛行狀態(tài)可達到169OK,這一溫度值甚至高出AL-31F發(fā)動機的工作瘟度。其次是 穩(wěn)定工作性能好。為保證工作穩(wěn)定性,RD-33發(fā)動機在第1級風(fēng)扇采用了處理機匣以改善葉尖處氣流流動狀態(tài),在第

4、4級靜子葉片采用雙排串列式葉 柵來保證進入高壓壓氣機的氣流穩(wěn)定;高壓壓氣機的進口導(dǎo)流葉片和第1、2級靜子葉片采用可調(diào)旋轉(zhuǎn)葉片,能夠根據(jù)不同工作狀態(tài)改變?nèi)~片工作 角度,第9級靜子也采用雙排串列葉柵。通過這些設(shè)計,RD-33發(fā)動機的工作非常穩(wěn)定,可以在飛行包線內(nèi)任一點實現(xiàn)空中起動和接通加力,從而滿 足米格29戰(zhàn)斗機的機動性要求。作為蘇-27系列戰(zhàn)斗機的動力裝置,AL-31F渦扇發(fā)動機在設(shè)計思想、關(guān)鍵技術(shù)和主要性能方面有其獨到之處。 AL31F發(fā)動機在設(shè)計上突出了推重比指標,為此留里卡設(shè)計局在結(jié)構(gòu)設(shè)計上曾經(jīng)進行過大幅度改動。在竭力追求 較高推重比的研制過程中,該發(fā)動 機分別從空氣流量和結(jié)構(gòu)重量等方面

5、著手,最終在性能水平上超出了美國同級別發(fā)動機。一是增大空氣流量。AL-31F發(fā)動機的進口直徑為938毫 米,設(shè)計中選擇了較大的涵道比0.6,以得到較大的外涵空氣流量,使發(fā)動機最大狀態(tài)推力達到76千牛,全加力狀態(tài)推力達到125千牛。同時,在總增 壓比不太高的情況下,較大的涵道比可以降低發(fā)動機耗油率,有利于增大蘇-27戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)半徑和轉(zhuǎn)場航程。二是減輕結(jié)構(gòu)重量。AL-31F發(fā)動機 在風(fēng)扇、高壓壓氣機、加力筒體和噴管外罩等部件上采用大量鈦合金材料,風(fēng)扇和壓氣機采用電子束焊接的整體結(jié)構(gòu),使發(fā)動機重量得以減輕,整 機重量只有1530千克,推重比達到8.17,略高于目前已投入使用的西方同類發(fā)動機。因此,

6、當(dāng)蘇-27戰(zhàn)斗機的"眼鏡蛇"機動進入垂直狀態(tài)時,完全借 助于AL-31F發(fā)動機所產(chǎn)生的強勁推力。與此同時,留里卡設(shè)計局針對蘇-27戰(zhàn)斗機高機動性的特點,還充分考慮到AL-31F發(fā)動機的穩(wěn)定工作特性。 由于進口條件的急劇變化,AL-3lF發(fā)動機必須具備較大的穩(wěn)定工作裕度,并根據(jù)進口參數(shù)的改變而及時地調(diào)節(jié)相關(guān)部件和循環(huán)參數(shù),始終保持發(fā)動 機持續(xù)可靠地工作。因此,為滿足這一設(shè)計目的,AL-3lF發(fā)動機在設(shè)計參數(shù)的選取上,只采用了中等增壓比23.8,以降低各增壓級的負荷,并在結(jié)構(gòu) 設(shè)計上采用了變彎度葉片、處理機匣、雙排葉柵和可調(diào)葉片等多種調(diào)節(jié)措施。英法獨辟蹊徑20世紀60年代,為了

7、滿足研制"狂風(fēng)"多用途戰(zhàn)斗機的 需要,英國的羅羅公司、聯(lián)邦德國的慕尼黑MTU公司和意大利的菲亞特公司開始聯(lián)合研制RB199加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。根據(jù)"狂風(fēng)"戰(zhàn)斗機的作 戰(zhàn)任務(wù)要求,新型發(fā)動機必須具備以下特點:短距起飛時需要的最大加力推力、低空突防和空中巡邏需要的不加力推力、機動飛行需要的較大剩 余推力。為此,RB199發(fā)動機在熱力循環(huán)參數(shù)的選擇上,采用了中等流量比、高增壓比、高渦輪前溫度和高加力溫度,相應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上獨具特色 。RB199渦扇發(fā)動機采用了三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),風(fēng)扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機分別為3級、3級和6級。作為羅羅公司的獨家技術(shù),三轉(zhuǎn)子設(shè)計的目

8、的是 追求高增壓比與較大穩(wěn)定工作裕度,這樣不僅有利于發(fā)動機推力的快速響應(yīng),以滿足戰(zhàn)斗機機動飛行的要求,而且有利于降低發(fā)動機的耗油率,增 加戰(zhàn)斗機的航程。更為獨特的是,該發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)子與中壓、低壓轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反,其優(yōu)點是大大減小陀螺力矩。RB199發(fā)動機的加力燃燒 室采用了混合器和火焰穩(wěn)定器合二為一的設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上看,內(nèi)涵道后面設(shè)有兩圈V型火焰穩(wěn)定器,外涵道設(shè)有倒置"漏斗"式穩(wěn)定器和徑向傳焰肋 。 這一設(shè)計,可以明顯縮短加力燃燒室長度,使發(fā)動機結(jié)構(gòu)更加緊湊。工作時,內(nèi)、外涵分別噴油和組織燃燒,然后再進行混合,加力溫度達190OK 。以最初安裝在"狂風(fēng)"

9、;戰(zhàn)斗機上的RB199MK103型發(fā)動機為例,其加力推力達到71.1千牛,推重比達到7.93。作為世界上第四大航空發(fā)動機公司,法 國的斯奈克瑪公司從1967年開始設(shè)計M53渦扇發(fā)動機,以滿足80年代的高速高性能多用途戰(zhàn)斗機的需要。該發(fā)動機以"阿塔"系列渦噴發(fā)動機為基 礎(chǔ),設(shè)計過程中沿用了單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),這在加力式渦扇發(fā)動機中是獨一無二的。這樣設(shè)計主要考慮到技術(shù)的沿承性,以便總體結(jié)構(gòu)簡單,降低技術(shù)風(fēng) 險,縮短研制周期,但也在很大程度上限制了發(fā)動機的性能。由于單軸結(jié)構(gòu)上的限制,M53發(fā)動機的涵道比只有0.3。這樣才能兼顧風(fēng)扇和高壓壓氣 機葉尖速度的要求,卻無法充分發(fā)揮高壓壓氣機的作

10、用。M53發(fā)動機具有高速飛行時單位推力大、低空巡航時耗油率低的優(yōu)點,油門使用上沒有限 制,可以在低速到M2.2的范圍內(nèi)任意操縱。為了提高"幻影"2000-5戰(zhàn)斗機的性能,斯奈克瑪公司在提高M53-P2發(fā)動機性能方面的主要措施包括:采 用先進的風(fēng)扇設(shè)計,增大了涵道比,使空氣流量增加近10；增加一級渦輪,重新設(shè)計熱端部件,采用氣膜加對流冷卻方式,渦輪前溫度提高了40度 。這些技術(shù)的應(yīng)用有利于增大發(fā)動機推力,使加力推力達到97千牛,從而提高了飛機的推重比,改善飛機的速度特性和機動性能。值得指出的是, 由于未采用進口導(dǎo)流葉片,M53發(fā)動機也存在著潛在的設(shè)計缺陷。M53-P2發(fā)動機的

11、三級風(fēng)扇葉片直接與進氣道相連,迎面而來的飛鳥極有可能被進 氣道進口處強大的氣流吸入,以極大的相對速度產(chǎn)生巨大撞擊力,直接打壞高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片,并進一步破壞發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致M53-P2發(fā)動 機不能正常工作,失去應(yīng)有的推力。特別是對于采用單臺發(fā)動機的"幻影"2000戰(zhàn)斗機來說,極易發(fā)生機毀人亡的事故。第三代半和第四代戰(zhàn)機發(fā) 動機點評為了滿足第四代戰(zhàn)斗機的需求,美、英、法、俄等國家從80年代初開始研究推重比為10的發(fā)動機方案,經(jīng)過部件設(shè)計、核心機試驗和驗 證機的研制,新一代加力式渦扇發(fā)動機己經(jīng)陸續(xù)投入裝備使用。其中,美國倚仗技術(shù)優(yōu)勢為F-22戰(zhàn)斗機研制出推力155.7千牛的

12、F119渦扇發(fā)動機, 英國、德國、意大利和西班牙通過國際合作為"臺風(fēng)"戰(zhàn)斗機研制出推力90千牛的EJ200渦扇發(fā)動機,法國依然立足本國為"陣風(fēng)"戰(zhàn)斗機研制出推 力75千牛的M88系列渦扇發(fā)動機,瑞典為其JAS-39配備的RM12C推力達89千牛,俄羅斯正在為新一代戰(zhàn)斗機全力研制AL-41F渦扇發(fā)動機,推力有可能 達到180千牛。從戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求來看,美國的F-22戰(zhàn)斗機對F199-PW-1 00發(fā)動機的技術(shù)和性能要求最具有代表性。首當(dāng)其沖的是超音速巡航能力要 求發(fā)動機推重比高。為此,新一代發(fā)動機在循環(huán)參數(shù)上都采用了偏小的涵道比,如F119為0.2,M88-

13、2為0.5，EJ200為0.4,可以使不加力狀態(tài)下推力 增大,加力狀態(tài)下耗油率降低。從結(jié)構(gòu)技術(shù)角度來看,較小的涵道比要求風(fēng)扇增壓比較大,因此風(fēng)扇設(shè)汁上分別采用了非定常三維有粘計算方法、 低展弦比、高稠度和大安裝角葉型等技術(shù),并通過減小第一級輪毅比和增大進口氣流馬赫數(shù)實現(xiàn)發(fā)動機的高流通能力,考慮到結(jié)構(gòu)重量的限制,發(fā) 動機還采用整體葉盤結(jié)構(gòu),這樣可減輕部件重量達30%。增大渦輪前溫度也是提高推重比的一條主要途徑。通過采用單晶材料、定向結(jié)晶材料、 隔熱涂層和復(fù)合冷卻技術(shù),新一代發(fā)動機的渦輪前溫度已經(jīng)達到很高水平,如F119的197OK,EJ200的180OK,而M88-2發(fā)動機盡管推重比未達到10,但 其渦輪前溫度卻高達185OK,比最先進的第三代戰(zhàn)斗機發(fā)動機高出近200度。而Fl19發(fā)動機的對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計還有可能取消高、低壓渦輪之間的導(dǎo)向 器,縮短發(fā)動機長度和減輕結(jié)構(gòu)重量。緊隨其后的是良好的機動能力要求發(fā)動機具有響應(yīng)能力和推力矢量能力。這些發(fā)動機無一例外采用了全權(quán) 限數(shù)字式電子控制系統(tǒng),控制參數(shù)從上一代發(fā)動機的610個增加到1120個,這有利于發(fā)動機時刻工作在最佳參數(shù)狀態(tài)。增壓部件的快速調(diào)節(jié)、加 力燃燒室可靠工作都增大了喘振裕度,