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深入：浅谈太行发动机对我国舰载机的影响，或将成为我军主力
新浪军事 2015.02.02 10:28
资料图：国产太行发动机在珠海航展期间亮相，工作人员在现场喷漆、调试
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舰载战斗机是衡量航母作战能力的标志性武器平台。据外媒报道，人民海军首艘国产航母即将投入建造，我国也与俄罗斯洽谈引进苏-33战斗机。这些种种猜测，都反映出外界对我国舰载机发展动向的高度关注。经过50多年的努力，我国航空工业已经能够“以轻重结合的方式，自主研制生产出与发达国家现役机型相媲美的第三代战斗机和第三代大推力涡扇发动机”。国产歼-11战斗机系列在引进俄罗斯苏-27SK生产许可证的基础上逐步发展起来，其代表机型之一实现了为第三代战斗机装备国产先进涡扇发动机的夙愿。
相比陆基飞机，舰载机起降方式和工作环境特殊，对动力设计提出了更高的要求，尤其注重可靠性和作战适应性。迄今为止，只有美俄研制出多种技术来保证这一点。受技术和成本制约，只有美俄研制出第三代舰载大推力发动机。虽然我国已经突破了军用涡扇发动机的技术和瓶颈，但面对舰载机动力这一新课题，引进与自研相结合的双保险政策仍是现阶段较为现实的做法。而且我国对AL-31有多年的使用和维护经验，在“太行”成熟之前，让它担当主角应该是比较稳妥的。随着“太行”使用数量的不断积累，延寿和可靠性增长效果的不断显现，国产机型必将成为我军战机装备的中坚力量。
长剑倚“太行”
“太行”发动机是在调研、仿制国外先进核心机基础上研制的，研发过程采取“半仿半研”的技术路子，经过验证机、模型机两个阶段，耗时18年才最终成功。
“太行”发动机总体布局模仿F110的设计，同时也吸收了国内外多种机型的技术经验。该机采用五点支撑方案，其中高压涡轮后支撑轴承为中间轴承。全机共有三个主承力框架（进气机匣、中间机匣和涡轮后机匣），其中中间机匣首次采用钛合金整体铸造技术制造，并在发动机上布置了安装段、变速箱等安装点。三级轴流风扇和九级高压压气机分别由两级低压和单级高压涡轮驱动，方向相反。高温升主燃烧室结构紧凑，燃烧效率高，分布品质好。与AL-31相比，“太行”涵道比更大，巡航油耗率更低，能够满足海军空中巡逻战斗机的设计要求。 外涵道空气含氧量较高，因此加力比（全加力与中间推力之比）也较大，与F110完全相同，但单位性能（单位推力、单位迎面推力）低于AL-31。燃油控制系统为机液—模拟电子混合型，充分借鉴国外控制设计经验，保证发动机在飞行包线内稳定可靠、快速准确运行。
据相关报道，“太行”部分技术指标已接近或达到国外“三代半”飞机（如F110-GE-132、M88-2等）水平，竞争实力和发展潜力不容小觑。
1.高性能、高利润风机
发动机研究所采用先进的设计手段，为“太行”研制了新型三级高性能风扇。按照设计要求，在原型机严格的尺寸限制下，风扇压比必须高于原型机，同时还要保持原有的高效率和大的喘振裕度。高平均级压比与大裕度之间的矛盾考验着设计人员的能力。为解决喘振裕度问题，该所共设计了8种方案。经过大量试验验证，最终确定的方案在高转速下有裕度提升国产太行发动机，在中低转速下达到了AL-31四级风扇的水平。
风扇单元主要材料为钛合金（TC4），三级整体转子采用电子束焊接加工。通过与国外专家联合攻关船舶柴油机配件，我国技术人员掌握了一种等强度、低损耗的流线型阻尼肩部结构设计，并运用到“太行”发动机前两级风扇上，这种变厚度设计明显优于等厚度肩部形式。
新风扇还首次采用了变曲率导流叶片和超塑成形扩散连接的进气机匣，这是国内制造技术的新突破。整体精铸中间机匣是发动机的主要承力部件，由内环、外环、带导流环的支撑板组成。采用整体铸造工艺可缩短生产周期、减轻结构重量、降低成本。
2. 具有四代机特征的复合材料管道
回顾外涵道机匣的发展历史船舶自动化设备维修，经历了钛板焊接结构——钛合金铣削（在表面铣出加强筋，增加机匣刚度）到80年代复合材料的应用（美国通用电气公司研制的F414、YF120、F136等军用飞机均采用复合材料机匣）。据悉，这种机匣可减轻结构重量23%，降低成本28%（与传统钛合金机匣相比）。北京航空材料研究院于1995年牵头研制“太行”复合材料外涵道机匣，设计中采用新研制的碳纤维增强热固性聚酰亚胺树脂基复合材料（相当于美国F404的PMR15）制作发动机外涵道。机匣分为上下两段，前机匣对称分成两半，两端均有钛合金安装边。 后段为更为先进的全复合材料，带凸缘整体结构。
3.核心机继承了原标准机的先进设计
九级高压压气机气动设计先进，原标准机压缩比约12。“太行”循环参数选取时作了适当调整，设计值为9.7（若保持原水平，总压缩比将近40，由于排气温度下降，中间推力会下降，如此高的压缩比会导致压气机最后几级温度超过飞行时材料允许温度，降低压缩比也有助于提高裕度）；前四级定子可调，扩大了压气机中低速时的失速裕度，这是实现发动机启动、加速性能的基础；结构设计紧凑简单，转子主要为电子束焊接构件，第三级采用短螺栓连接整体转子前段和后段。压气机所用材料主要有TC4钛合金、镍基合金等。
主燃烧室由带有短突出式扩散器的锻造机匣、头部带双涡花的机加工环形火焰管、燃料空气雾化装置、高能点火系统等组成。由于发动机总压缩比高，燃烧室入口总温度达860K，出口温度（平均）达1700K，对火焰管的结构材料和冷却设计是一个严酷的挑战。环形火焰管主要材料为固溶强化钴基高温合金。内、外环上布设冷却气膜孔12圈，头部布设气膜孔2000余个，火焰管内壁上加工有5条（内环）和6条（外环）气膜槽。机匣外侧的燃烧室机匣也是一个非常复杂的大型构件。 主体材料，进气扩散器采用无残余整体精密铸造，内部导叶（高压压气机出口导叶）多达70片，经磨料流抛光后，采用真空电子束焊接工艺将机壳各部件焊接成一个整体。
“太行”燃烧室主要特点：
独特的燃油空气雾化装置，由20个双油离心喷嘴和20个双级旋流器组成，燃油雾化性能好，兼顾高、低工况下的性能；2个高能点火火花塞插入头部主燃烧区，地面和空中再点火可靠；
在较宽的运行范围内具有较高的燃烧效率；
头部采用贫油设计，减少污染物和可见烟雾排放，缩短火焰管长度；
出口温度场品质（温度均匀性）好，温度分布系数低；
采用高效冷却及等寿命结构设计方法，大大增加了使用寿命；
热容量较高，至今仍是世界上为数不多的高负荷短环燃烧室之一，具有相当大的温升潜力。 “太行”单级高压涡轮是一种高温、高转速、大负荷、跨音速的先进涡轮，其轮缘速度达548米/秒（据相关文献报道，F101高压涡轮的有效功比F100两级涡轮多13.1%）。要达到高推力比的设计要求，很大程度上取决于能在高温下工作的涡轮零部件，提高涡轮导叶和工作叶片的耐温性能是关键问题，为此通常采取双管齐下的办法——采用耐高温材料配合冷却、涂层技术。太行的涡轮前缘温度为1700K，而导叶和工作叶片采用定向结晶高温合金，只能在1273K以下工作，巨大的温差必须通过高效的冷却结构、先进的隔热涂层等措施来“消化”。
导流叶片安装在燃烧室出口处，是工作程度最高的部件，但与涡轮转子叶片不同，导流叶片为定子，不承受离心载荷。导流叶片共有46片导流叶片，23节双装结构，形成完整的环形装置。叶片采用钴基合金精密铸造(也可采用IC6A金属间化合物)，再经过一系列加工最终成型。叶片内腔有复杂的气流冷却通道，边板上有激光钻孔形成的气膜冷却孔，部件表面涂有A1-Ti隔热保护层，在综合作用下，实现平均降温400K以上。
“太行”共有72片高压涡轮叶片，采用DZ125定向凝固合金精密铸造，无多余部分。为提高冷却效果，还采用了复合冷却技术。叶片腔冷却通道结构极其复杂，叶身及盖板上设有多个排气膜冷却孔，叶片后缘设计有矩形接缝。叶片底部榫头设计有两对大圆弧齿，榫头数量少，结构简单。叶片组装到涡轮盘后，用短螺栓固定前后挡板，夹紧叶片。
4、三维气动设计，复合倾斜低压涡轮与离压涡轮反向旋转
所谓复合倾斜国产太行发动机，是指叶片在轴向和径向两个方向均呈弯曲状，国际上直到20世纪80年代中期才开始应用该技术，如RB211-535E4、F414等。导叶采用复合倾斜设计，可以减少端壁损失，提高涡轮效率。“太行”低压涡轮采用的复合倾斜形式，不仅是气动设计的挑战，也是对我国铸造技术的极大考验。由于涡轮叶片工作温度高，一般采用复杂的中空内冷结构，若制成复合倾斜形状，制造的复杂性和技术难度将进一步增加。贵州新益机械厂（170）承担了叶片制造任务，其生产的三连杆精铸复合倾斜叶片效率达到国际水平。
将高压、低压涡轮设计成对转结构，有利于提高发动机推重比，降低油耗，提升飞机的综合性能。目前在用和在研的第四代军用发动机均采用对转涡轮。多个航空强国也将对转设计列为未来航空涡轮的主要研究计划。可见对转涡轮是体现“太行”后发优势的标志之一。（未完待续）（作者署名：舰载武器）
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