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【第130班 】中推之梦:1990年代中推核心机的预研先行历程

2017-10-20 湛卢 安全飞机

中国的航空动力工业是从维修、生产和仿制前苏联涡喷发动机开始的。

经过多年发展,研制生产了涡喷7和涡喷13两个主力型号。但是由于航空工业整体实力较弱,我国涡轮风扇发动机发展一直没有起色。606所设计研制的910发动机,也就是我们熟知的涡扇6发动机经过16年的研制,却没能最终成功。中国生产装备的第一款中等推力涡扇发动机是从英国引进仿制的秦岭,也就是涡扇9,其原准机是斯贝MK202。

英国斯贝MK202发动机

军用斯贝MK202发动机,是英国罗斯·罗伊斯公司在民用斯贝MK511和MK512基础上发展起来的,为满足军用要求加大了的飞行载荷和受力状态,在结构上和材料上作了较大的修改。斯贝MK202发动机是双转子涡轮风扇内外函混合加力式发动机,其采用了五级轴流式低压压气机,12级轴流式高压压气机,环管燃烧室和高低压涡轮各两级。整机加力推力9.3吨,军用推力5.5吨,燃烧室出口温度1500K左右,流量92.5公斤每秒,推重比5.05。

虽然斯贝MK202的成功引进解决了飞豹飞机(歼轰-7)的动力问题,但是不得不说斯贝MK202这款发动机的整体技术水平是较低的。由于其设计年份较早,整机结构设计落后,发动机转子总级数达到了21级,推比仅仅是5级别的,而三代典型中等推力涡扇发动机转子总级数一般是12左右,推比是7一级。不过涡轮风扇发动机相比于涡喷发动机的优势却在飞豹身上显示的极为明显,由于斯贝MK202耗油率较低,飞豹最大作战半径达到了突破性的1600公里,相比于国内其他作战飞机,不得不说飞豹称得上是远程精确打击的国之重器。

装配秦岭发动机的飞豹战斗轰炸机,真正成为了远程精确打击的国之重器

在上世纪70年代初期,中国引进斯贝MK202这一款二代中等推力涡扇发动机的时候,航空强国们已经开始装备第三代涡轮风扇发动机。第三代涡扇发动机的典型代表就是美国的F404。该机采用带可调进口导流叶片的环形进气口,3级轴流宽弦实心钛合金风扇叶片,7级轴流式高压压气机,短环燃烧室和单级高低压涡轮的总体设计方案。中间推力4800千牛,加力推力7120千牛,推重比7.24的性能指标傲视群雄。


为了缩短差距,跟上潮流,1980年,中国开始了高性能推进系统工程预先研究(简称高推预研)计划,整个计划的核心目标就是对F404发动机进行分析和预先研究,研制出水平相当于F404核心机的中推核心机,为我国自行研制涡扇发动机提供技术储备。

先进中等推力发动机的典型代表美国的F404发动机

国外众多的成功案例早已证明了走核心机派生发展道路的正确性,比如GE公司从1963年起研制第一代技术核心机GE-1,到1970年代末发展了3代,大量的技术成果应用到型号核心机的研制中,从而派生出像CF6,F101/110/CFM56,F404等一系列世界经典名机。这是一条行之有效的发动机研制道路,也是系列化发展的主要途径。

1989年6月12日,中国航空航天部下属的中国航空发动机总公司下达了《关于进行高性能推进系统三大核心性能试验部件的通知》,并于同年7月在624所召开了“三大高压性能部件预研工作会议”,决定在10年预研的基础上全力以赴进行“七级高压压气机攻关、并同时开展与七级高压压气机相匹配的带气动雾化喷嘴的短环形燃烧室和全尺寸带气冷叶片的高压涡轮部件的研制”。

我们知道,三大高压部件是组成核心机的主要部件,由于考虑到将来发展为推比8一级小涵道比中等推力涡扇机的背景型号,因此这台核心机也就被称为中等推力涡扇发动机预研核心机(即中推核心机)。

国内首先以F404为预研对象,对F404的结构,循环参数,冷却 37 31729 37 11890 0 0 5619 0 0:00:05 0:00:02 0:00:03 5619段,材料和工艺进行了全面的分析研究,然后在国内开展相关技术的研究和突破工作,经过艰难攻关,中推核心机的相关核心技术被陆续攻破,1990年底,中推核心机被正式列为国防科工委“八五”期间18项关键预研项目之一。


624所开始开展中推核心机的研制,同时积极进行中推验证机的方案论证工作。并将中推预研分为3个阶段:三大高性能部件研制,中推核心机研制,中推验证机研制。

三大部件,即航空发动机的高压压气机、燃烧室和涡轮,航空发动机研制的重点。中推核心机采用了七级高压压气机(核心机没有风扇,也就是没有低压压气机)、短环燃烧室和单级高压涡轮(没有风扇的同时也没有低压涡轮)的总体设计。其基本结构与F404完全相同。其中七级高压压气机全面达标,相当于美国F404、CMF56发动机高压压气机的水平,此后先进的高压压气机成为我国先进航空发动机的特色,包括我国推比10一级核心机在内的航空发动机研制计划都广泛受益。

中推核心机的研制工作是以航空航天部624所为总设计师单位,江和甫任中推预研总设计师。从1991年2月起正式开始方案设计,先后完成了总体打样图设计、主要锻铸件毛坯图设计,并于1992年2月完成主要零部件加工图设计等工作,加工蓝图分批下至承制厂。外部管路系统的设计到7月份最终完成设计工作,另外为加快核心机外部管路的设计、加工、安装,624所只用了4个月就完成了外形金属样机的设计和加工。

中推核心机的试制工作由430厂为主承制单位,参加研制的单位有420、460、170、100、606、621、625、西工大、德阳二重等全国21家厂所院校。105、115等厂提供了有关成附件,上钢五厂、抚顺钢厂等赶制了所需的高温合金和钛合金材料……可以说中推核心机是全国大协作的成果结晶。

经过毛坯、工装准备,试制工作于1992年3月开始加工,加工中攻克了近70项关键技术,如复杂型芯定向结晶涡轮叶片精铸、短环形燃烧室机加工、带型面复杂叶片的扩压器精铸,压气机鼓筒电子束焊等7大项属于首次突破,不仅优质高效的完成核心机试制工作,也使得航空发动机制造技术向前跨越了10年!首台中推核心机的加工和装配仅用了9个月的时间,至1992年11月18日完成加工总装、19日出厂,并于11月21日运抵624所。

核心机到达后经过喷管、附件、管路等装配和检查,于1992年11月24日安装到地面试车台架上,并通过了质量评审。11月28日进行了启封运转和冷运转,起动机将核心机带转到21.5%转速。12月3日23点20分,核心机首次点火、一次成功!相对转速达到35%。之后又成功进行了多次点火起动试验,在突破了冷悬挂、一阶临界转速等难关后,经发动机总公司与624所分析决定将发动机推至最大换算转速。12月12日在核心机第11次点火试车中,转速推到地面最高转速,换算转速达101.3%,核心机运转良好,振动小,排气温度等参数均为正常。

由于核心机的工作环境是处于发动机的风扇(低压压气机)出口处,当发动机在地面台架运行时,核心机进口压力一般为0.35-0.45MPa,进口温度为430-470K。而在空中飞行时(如中低空、大速度),核心机进口压力可达约0.56MPa,进口温度约600K。中推核心机在设计时是以地面台状态,背景发动机在标准大气下工作时风扇出口气流条件为设计点。

为节约试验经费和减少试验风险,第一台中推核心机的初步试验考核是在地面台架上进行,在取得有关性能数据及考核各部件匹配关系的情况下,再安排第二台核心机进行高空台模拟风扇出口温度、压力等工况下的进气加温加压试验。由于我国尚无专用的核心机试验设备,而新建一套试验设备不仅耗资巨大而且建设周期也无法赶上核心机的研制进度,因此只有利用我国惟一的大型直接连接式高空试验设备—SB101高空台。

第二台中推预研核心机用来进行高空台试验,主要目的就是前述提到的模拟风扇出口条件下考核核心机性能和结构强度。430等承制单位克服了进度紧、难度大、经费不足的不利因素,于1993年12月19日完成了加工组装,并于12月22日运抵624所。624所在1993年度做了大量的试验准备工作,并进行了各项核心机强度试验,为核心机在高空台上全速运转奠定了可靠的基础。

核心机抵达后,1993年12月26日完成了高空台上的安装,12月27日通过了质量评审。开始进行大气进气条件下启封、冷运转、假开车和地面台慢车状态下的试验。29日下午首次点火成功,核心机转速达65%。30日上午开始进行供气加温试验。在进口温度为40℃,进气压力为0.125MPa的状态下空中起动一次点火成功,接着顺利地通过了二阶临界转速,逐次升速到73%、75%、80%、86%,在31日晚,中推核心机达到了100%换算转速,状况正常。至此,核心机高空台第一阶段的试验提前胜利结束。此阶段共起动58次,累计运行282min,其中最长一次连续运转85min。

中推核心机非常非常稀有的清晰照片,也是仅有的几张能够找到的照片中最清晰的一张

1994年1月3日下午核心机按预定计划下台分解,检查,除发现压气机转子不平衡量过大外,其余一切正常。经重新平衡、装配之后上台,1月14日开始进行第二阶段试验。1月15日,向最高设计目标冲刺。经过一夜奋战,于16日晨7时24分顺利达到最大设计状态,进气温度、进气压力和物理转速都达到设计值。

各项试验结果表明中推核心机高空台试验性能已达到设计指标,三大部件匹配良好,结构强度也得到了初步考核。可以说,设计是成功的,加工质量是好的,测试数据是可信的,比原计划提前了11个月性能达标。

1994年1月26日至27日,中国航空工业总公司和空军派出专家组到624所进行检查和评审。专家组由张池任组长,王祖浒、陈大光任副组长,成员有吴大观、李志广、陈光、陈乃兴、枉云汉、严传俊、顾家柳、陶增元和常淑清。专家组在听取了624所总工刘大响等的详细汇报,并查阅了设计,试验资料,参加了核心机的高空台试验,检查了试验结果,进行了认真的讨论和评审。专家组认为,我国自行设计、制造的高性能中推核心机在高空台上模拟其进口条件进行性能试验,涡轮前温度和物理转速同时达到设计指标,取得了比较好的试验结果,这是我国航空发动机技术的重大突破,是在自行研制航空发动机的道路上跨出的具有战略意义的一步,对我国航空发动机行业的振兴发展将会产生巨大的推动作用和深远的影响。

中推核心机在完成主要零部件和强度试验的基础上,经过地面台试验和模拟核心机进口条件下的高空台试验,主要技术性能基本得到验证。点火、起动顺利,运行过程中振动值较小,工作稳定,三大部件性能匹配良好,主要性能参数和转子动力学数据的设计计算值与试验值基本吻合。所有这些证明核心机的设计是成功的。中推核心机已为验证机的立项研制创造了良好的条件。专家们还建议上级领导尽快对中推验证机做出决策,立项研制。

从1989年到1994年短短几年时间里,就突破了三大部件与核心机的研制,证明了动力先行、预研先行的科学性,是10年高推预研成效的最好体现,这一成功为我国最终实现自行设计制造先进航空动力装置的目标奠定了良好的基础。


但在1994年,在中推核心机试车成功后,却因为经费问题无果而终,连接下来的验证机研制计划也因为配套的先进中型双发战斗机计划的下马而跟着下马。

中国高性能推进系统工程预先研究(简称高推预研)历时15年,经历了4个阶段,取得了许多令人瞩目的重大成果。通过高推预研,中国航空工业初步掌握了推比8一级核心机的总体、气动、冷却、结构、强度设计技术和三大部件间的匹配技术。按照中国航空发动机型号都以山川命名的习惯,中推核心机被命名为“天山”。

1997年,中推核心机获得研制中推验证机的批准。正在高推预研计划经过多年的基础研究开始工程化变成实在的发动机型号之时,但1999年,高推预研计划又因经费问题终止。此时,中推核心机的整体技术水平已经与F404、RD33相当。不过预研计划的好处就是进行技术验证和储备,项目虽止,但技术不死。

中推核心机台架试车时的照片,可以看到我国航空发动机工作者的工作环境并不是很好,向他们致敬

高推预研计划中断有着多方面的原因,除了经费方面的原因之外,高推下马另外一个很重要的原因就是受到了其他型号的冲击,它就是前文中装配枭龙滑跑成功的涡扇13,绰号“泰山”。

与中推核心机从基础研究开始逐步进行验证和试车并且进行长远规划的发展不同,“泰山”是个针对性很强的项目,随着枭龙项目的推进和米格设计局的加入,枭龙的动力问题从西方系的发动机转向俄罗斯。米格设计局很自然的把米格-29的动力系统RD33推荐给了中国,于是枭龙装备了RD33的单发型号RD93中等推力发动机。小巴装备枭龙是为了打印度,而印度和枭龙动力的提供者俄罗斯有长期军售关系,于是阿三就开始呼吁俄罗斯禁止出口RD93发动机给中国。俄罗斯媒体也是一阵一阵的响应印度的号召,声称枭龙走向国际市场影响了米格-29的生意。

中国向来不是个伸着脖子让别人卡的主儿,2005年中国开始仿制俄罗斯RD93发动机,这就是“泰山。由于“泰山”发动机项目属于仿制现有发动机,而且技术成熟可靠,因而一直搞得比较艰难的“天山”(中推核心机)就受到了影响。

珠海航展上的新中推与RD33进气道支板设计比较类似,进气道头锥里就是风扇前的零号轴承

在2010年的珠海航展上,一个加力推力9500公斤的新型中等推力发动机模型引起了众多关注的目光。这款没有注明型号的中推发动机模型到底是何方神圣,技术来源如何?我们暂且称之为“新中推”吧。

“新中推”采用了类似于RD33风格的进气道支板来支撑风扇前的轴承,而F404、EJ00等西方中推都采用了风扇后加轴承的支撑方案。但是整机外形采用了铣出栅格的钛合金机匣这一点又偏偏与F110和EJ200等欧美航空发动机非常类似。当然决定整机技术脉络不是转子支撑方案也不是外机匣如何处理,而是三大部件和核心机部分设计。根据模型展示出的“新中推”的内部结构来看,“新中推”的风扇应该是三级左右,采用了七级高压压气机和短环燃烧室。新中推的涡轮部分没有展示出来,但是不妨碍我们推测一下。事实上,自从第三代先进中推机问世,一般都采用单级高低压涡轮的设计。因而新中推最可能采用的结构就是三级风扇、七级高压压气机、短环燃烧室和单级高低压涡轮的整体设计。

西方发动机往往使用铣出栅格的钛合金机匣,这是法国的M88中推发动机,这一点与“新中推”非常类似


“天山”复活了!不对,应该是涅槃,因为“新中推”的整体技术水平比“天山”又有了提升。

“天山”师承美国先进航空发动机典型代表F404的整体设计,技术水平明显高“泰山”一个档次,这么性能优良,投入巨大的预研项目就此付诸东流岂不是相当可惜。实际上,中国根据国外先进航空发动机研制经验,开始构架推力从20千牛一直到200千牛的航空发动机核心机序列,中国用5个流量不同的核心机来保证今后航空兵和民航大部分发动机型号的研制。这就是著名的核心机预研工程。

而中推核心机已经作为这个计划的一部分被纳入到了我国航空发动机长远发展的规划当中。根据资料来看,中推核心机就是整个核心机序列中的换算流量20公斤的核心机GD20。“新中推”的加力推力达到了9500公斤,这已经接近大推力涡扇发动机的推力级别了。传统的第三代中等推力涡扇发动机比如F404基本型,其加力推力一般是7-8吨级别。加力推力9吨以上的性能指标一般是以EJ200为代表的新一代中推发动机的参数。因而可以推断“新中推”是一款新一代中等推力涡扇发动机,其推比应该在8以上,甚至达到9。目前“新中推”应该处于验证机或者型号研制阶段,等到“新中推”定型的时候,我国就真正可以说拥有了自主设计的先进中等推力航空发动机。

有望装备在歼-20战机上的“太行”发动机



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