科普!中國太行發動機概況

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太行發動機,也叫渦扇10系列發動機。由中國航空研究院606所研製,是國產第三代大型軍用航空渦輪風扇發動機。太行,號稱"天下之脊",中國第一臺大推力渦輪噴氣發動機取名太行,其意義不言自明。

太行發動機於1978年預研,1987年立項,2005年12月28日完成設計定型審查考核,歷時27年。

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太行發動機是中國首個具有自主知識產權的高性能、大推力、加力式渦輪噴氣發動機,它結束了國產先進渦扇發動機的空白。採用大推力涵比及全自動數字化控制系統,推力達到12000KGF-14000KGF(公斤力9.8N/Kg) 。

目前主要用於裝備中國第三代高性能殲-11B戰鬥機 。現在已經大批量地裝上了國產殲11B戰鬥機和國產殲16戰鬥機。

型號用途

依據裝配對象的不同,渦扇10系列有渦扇10、渦扇10A、渦扇10B、渦扇10C、渦扇10D等型號,其中渦扇10A是專門為中國為趕超世界先進水平而上馬的新殲配套的。

太行發動機不但可以作為戰鬥機的動力,並且太行發動機未來的大涵道比加力改型可以用於轟炸機,而大涵道比的無加力型可以用於未來的大型運輸機。由太行發動機衍生的船用燃氣輪機可以作為驅逐艦等大型水面艦只的主動力。並且,在"太行"的研製過程中,廠方嚴格執行參照"美軍標制"定的國家軍用標準,發動機的可靠性和使用壽命比起以往的國產發動機和進口的俄製發動機,要有質的飛躍。太行發動機的研製成功意味著國產海空主戰裝備的"心臟病"將得到全面解決。

"太行"誕生的過程也是鍛造中國研發航空動力頂尖人才的過程,我國開始擁有了一支能夠獨立研製大推力航空發動機的人才隊伍和創新梯隊,對於中國航空動力事業來說,"太行"只是一個起點。

中國為加快發展渦扇10系列發動機,採取兩條腿走路方針。一是引進國外成熟的核心機技術。中美關係改善的八十年代,中國從美國進口了與F100同級的航改陸用燃汽輪機,這是渦扇10A核心機的重要技術來源之一;二是自研改進。中國充分運用當時正在進行的高推預研部分成果(如92年試車成功的624所中推核心機技術,性能要求全面超過F404),對引進的核心機加以改進,使核心機技術與美國原型機發生了較大變化,性能大為增強。

2007年1月,配裝WS-10"太行"發動機的國產殲11B重型戰鬥機順利完成定型審查,標誌著我國在自主研製航空發動機方面實現了從中等推力到大推力的跨越;從渦噴發動機到渦扇發動機的跨越;從第二代發動機到第三代發動機的跨越,對我國國防工業和國防現代化建設有著深遠的歷史意義。

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能夠研製第三代大推力渦扇發動機的國家,只有美國、俄羅斯、歐盟和中國。太行發動機的研製成功和公開,向世界證明了中國航空動力行業的整體實力和技術水平,也意味著中國能在關係到國計民生的重大動力領域實現獨立自主,如以太行核心機為基礎改進的大涵道比渦扇發動機、艦用燃氣輪機等。

研製過程

改革開放的大潮使航空發動機事業重新煥發了生機。1986在第八屆珠海航展上展出的太行發動機

年1月,經鄧小平同志批示,肯定了發動機行業老專家發展渦扇發動機的建議。於是一航動力所與兄弟單位一起,開始了新一代大推力渦扇發動機-"太行"發動機的研製。

"太行"發動機不是為研製而研製,是我國國防建設急切而重大的需要。毫不誇張地說,事關我國某兩型先進戰鬥機的生死,"一發配兩型天大的事"。

1987年至1993年,在原國防科工委和空軍的大力支持下,經過6年多的艱苦奮鬥,一航動力所克服了基礎薄弱、條件不足等重重困難,完成了"太行"驗證機階段的研製工作,並擬配裝我國自行研製的某新型戰鬥機,使其從技術狀態轉入原型機研製狀態。值得說明的是,但凡發動機的研製,一般要經過技術儲備與攻關-材料部件生產-裝配-金屬樣機-驗證機-地面試車-飛行臺試驗-裝機試飛-壽命長試-定型這些階段。然而,在當時技術情況下要用"太行"發動機配裝新型飛機試飛有很大風險,因為新型飛機尚未定型,又為單發設計,而且發動機裝飛機試飛前,除必須進行大量地面試車考核外,還需要經過飛行臺試驗才行。當時,國內僅有的飛行試驗檯壽命已經到期,飛行包線也太小。九十年代初期,通過進一步引進合作,新型飛機有了國外成熟的發動機配裝試飛。可問題是:"太行"發動機如何找到合適的飛行平臺進行領先試飛?"太行"發動機總設計師、一航動力所副所長張恩和經歷過渦扇6發動機整個研製過程,渦扇6下馬後又曾領導一航動力所的民品開發工作,強烈的憂患意識使他感到選擇合適的試飛平臺十分重要,否則失去裝機對象,悲劇會重演!

二十世紀九十年代初,我國從國外引進了一批先進飛機直接裝備了部隊,為降低配裝飛機的研製風險,張恩和適時地提出了"太行"發動機以國外飛機為平臺的領先試飛方案。1993年3月,一航動力所向中國航空工業總公司申請了一架我國引進的飛機作為飛行平臺對"太行"發動機進行領先試飛。

1995年6月7日,時任副總參謀長的曹剛川在傳達中央軍委的重要決定時說:"太行發動機一是配新型殲擊機,二是作某型飛機的後繼動力。所以,太行發動機的成敗和週期,不但關係到新殲,也關係到引進的飛機有沒有成效。因此,太行發動機是兩種飛機成敗的關鍵。空軍下一步建設就立足這個發動機了,兩隻腳都踩在一條船上了,各級領導都非常重視。……"曹剛川語出驚人,他不是危言聳聽。"太行"發動機如果研製成功,這是一個雙贏的結果,如果研製失敗……大家心裡都清楚。

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1997年"太行"發動機進入了最艱難的突擊階段,是決定命運的關鍵時刻,由於要與飛機配套,飛機不能改或者只能作簡單的改動,主要技術問題都要通過發動機匹配來解決。在金屬樣機設計之前,時任一航動力所所長海宜德、總師張恩和帶領科研人員來到一航瀋陽所與時任所長劉春義、總師李明等進行技術協調,從氣動和結構兩個方面論證"太行"發動機酣裝選定飛機的問題。由於發動機主體尺寸比飛機原發動機大,滑油箱超限、滑油率超限、加力噴口調節器超限,道道難題擺在一航動力所人面前。為了儘快解決問題,總師張恩和天天跟在裝配廠房,指揮大家把發動機的外涵道放在裝配廠房的地上,一件一件往上擺附件。

為了滿足設訓要求與指標,總體設計室進行了改進外部設計工作,三次帶隊到空軍調研,多次更改方案。最後成功解決了加力筒體轉5度、加力點火器超限、後機匣改裝、重新安排外部管路與附件等難題。國外用了6個回合才能完成的設計任務,我們的設計師在2到3個回合內設計出圖,完成了裝入飛機的總體方案。1998年9月,配裝飛機的全尺寸金屬樣機制造和裝配工作如期完成,僅用1個半小時裝飛機成功,進一步證明了"太行"發動機可與飛機相匹配,為勝利研製奠定了堅實基礎。

立項

八十年代初期,中國航空研究院606所(中國航空工業第一集團公司瀋陽發動機設計研究所)因70年代上馬的殲9、殲13、強6、大型運輸機等項目的紛紛下馬,與之配套的研發長達二十年的渦扇六系列發動機也因無裝配對象被迫下馬,令人扼腕,而此時中國在航空動力方面與世界發達國家的差距拉到二十年之上。面對中國航空界的嚴峻局面,國家於八十年代中期決定發展新一代大推力渦扇發動機,這就是渦扇10系列發動機(太行發動機)。渦扇10(WS-10)工程於1987年10月立項,當時是考慮為殲10配套的發動機。以中國當時的技術,要獨立自主地研製一種先進的高推重比、高推力的渦扇發動機應是相當不容易的。

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渦扇10立項後就開始了核心機的改進工作,1987年,開始進入驗證機研製階段,1993年完成。1992年10月驗證機在086號飛行臺上開始試驗,97年開始型號研製(飛行前試驗階段),考慮將其作為殲11和殲10兩種戰機的動力,並申請了一架蘇27作為試飛平臺。可以說,這是一個極具風險的選擇,我國的兩種主力戰鬥機動力的寶都壓在太行發動機的身上,一旦失敗,對我國的國防和發動機發展都將造成無法彌補的損失。97年進入發動機與型號匹配的突擊階段。

2000年10月624所高空臺具有了大推力發動機的試驗能力,隨後開始型號的高空臺試驗,型號裝機首飛是在2001年7月,2002年6月裝單臺太行發動機的蘇27試飛臺進行了首飛,取得階段性成果,2003年12月裝兩臺WS10A的殲11A首飛,03-04年間WS10A開始試裝殲10戰鬥機。2005年5月11日開始定型持久試車,2005年11月10日通過長久初始壽命試車,05年12月28日完成定型審查考核。

WS10A的渦輪前溫度已從原有WS10的1710K提高到1747K,推重比也由原來的7.14提高到7.5左右,推力也由122KN提高到132KN,達到了90年代的世界先進水平。

歷經20年研製出來的太行發動機,在中國當時的經濟環境和技術環境下是非常不容易的,雖然仍然存在可靠性問題,但是在不斷改進的過程中可靠性逐步提高。

前幾年太行的重點目標是:03年針對重點型號減重開展的"減重年";04年為確保重點型號的定型而進行的"排故年";05年為提高和完善設計質量而開展的"細節年";06年為進一步完善設計、提高設計質量而進行的"精化年"。太行的各項性能還在不斷的完善之中,以後還會有進一步的提高。

難度

回顧20年來的風雨歷程,不辱使命的廣大參研人員用智慧和信心換來的這張通行證上,閃爍的不僅是榮譽和光芒,而且還帶有苦澀和悲壯。20世紀90年代以前,一航動力所航空發動機試車臺非常簡陋,每次試車啟動發動機,轟鳴的響聲震耳欲聾,周圍幾裡地都能聽得到,參試人員只好用棉團塞住耳朵。儘管這樣,加力試車的時候,轟鳴聲仍讓人難以忍受,強烈的噪音對身體刺激可想而知。當年經歷過那種環境的試車人,有的患了心臟病,有的耳膜穿孔,但他們從來沒有抱怨。也正是有了這些老航空人,我們的航空發動機事業才得以發展壯大。太行發動機的廣大參研人員刻苦鑽研,屢克難關,先後攻克了幾十項重大技術關鍵。2003年,"太行"發動機研製工作進入決戰決勝階段。由於對發動機研製規律的認識和把握上還有不小差距,加上質量管理和工作作風等方面存在一些問題,導致研製工作幾度陷入困境。先後經受了兩次大的考驗:一次是發動機在試車時,發生了高壓壓氣機四級盤破裂事故;第二次是在高空臺模擬試驗和調整試飛中,先後暴露出一些技術問題,如高空小錶速發動機加速慢等。飛機在2003年8月下旬至9月上旬的試飛中,5個起落出現3次"特情"。2004年夏天,太行發動機在進行規定試飛時,發生發動機空中停車,雖然最後安全返回,但使太行發動機機研製陷入被動。 606所與行業內外的專家共同分析排故對策,並進一步做好故障研究和故障分析工作,先後完成17份故障計算、研究、分析報告,最後恢復了太行發動機的定型試飛。解決了如地面喘振、空中異常響聲、試車溫度異常和小發提前脫開等試飛中遇到的多種技術問題。

在發動機的試製中,中國一航創造性地學習和應用國外先進經驗,打破了過去一廠一機的管理模式,發揮國內各專業優勢,多家企業組成國家聯合隊,協同攻關,成功應用了百種新材料、新工藝。發動機材料已接近或達到國際先進水平。先進新材料佔整機重量超過50%。包括先進鈦合金、先進高溫合金以及在國產發動機上第一次採用的高比強-高溫樹脂基複合材料。

攻關

渦扇10/10A是一種採用三級風扇,七級整流,一級高壓,二級低壓共十三級,即所謂的3+7+1+2結構的大推力高推重比、低涵道比先進發動機。黎明在研製該發動機時成功地採用了跨音速風扇、氣冷高溫葉片、電子束焊整體風扇轉子、鈦合金精鑄中介機匣、擠壓油膜軸承、刷式密封、高能點火電嘴、氣芯式加力燃油泵、帶可變彎度的整流葉片、收斂擴散隨口、高壓機匣處理以及整機單元體設計等先進技術。

在太行的早期型上,其高壓渦輪葉片採用的是DZ125定向凝固合金,但定型批量生產全部採用DD6單晶合金,渦輪盤早期型應用的是GH4169高溫合金,如今已經開始應用FGH95粉末冶金。高低壓渦輪採用對轉結構,這在第三代發動機上是極其罕見的,美國也只是在第四代發動機F119(F/A-22"猛禽"戰鬥機所使用的發動機)上開始採用了對轉結構,這種設計能減少飛機作機動飛行時作用於發動機機匣上的載荷,使機匣可以作得輕些;還可以省去低壓渦輪導向器,使發動機零件數、長度、重量均減少。

太行的最大推力在132KN,推比7.5,渦前溫度1747K,這麼高的渦前溫度在三代發動機中也是少見的。

早期太行的涵道比0.78,風扇是3級軸流式,可變彎度進口導葉,壓比3.4。壓氣機採用9級軸流式高壓壓氣機(壓比12,絕熱效率85),高壓壓氣機0~3級靜葉可調,5級後放氣,燃燒室是短環形帶氣動霧化噴嘴,高壓渦輪是1級軸流式,低壓渦輪是2級軸流式,加力燃燒室是V形加徑向混合型火焰穩定器,尾噴管是收斂-擴張可調噴管控制系統,這是我國首次在發動機上採用這種噴管,估計以後會換裝我國自己的全向推力矢量噴管(AVEN)。發動機控制系統早期型採用電子數模混合控制系統,後期將採用電子全權數字控制系統(FADEC),支承系統為高壓轉子為1-0-1,低壓轉子為1-1-1。從國際發動機的情況來看,航空發動機基本分成三大類,即小推力發動機,推力一般在3000公斤以下;中推力發動機,推力一般在6000-9000公斤;大推力發動機,推力一般在11000公斤-15000公斤,渦扇10無疑是大推力級發動機。

總設計師

張恩和,男,1939年生,航空發動機專家,太行發動機總設計師。

簡歷 1965年畢業於哈爾濱工業大學發動機設計專業的張恩和來到瀋陽發動機設計研究所從事設計工作。入所十幾年,張恩和在發動機總體室參與了多個發動機型號的研製和攻關,在自己的崗位上做出了突出的成績。中國一航航空報國傑出貢獻獎、航空報國科技尖兵、國防科學技術進步獎特等獎、香港何樑何利基金科學與技術進步獎;獲得全國五一勞動獎章、全國傑出專業技術人才稱號,多次航空航天部一等功。

1981年,42歲的張恩和成為當時國家公費派出的第一批訪問學者,開始了兩年在美國紐約理工學院研修航空機械工程專業的經歷。

1983年11月,從國外回來的張恩和繼續在發動機總體室擔任結構組組長,從事一線的科研工作。1985年起,升任為副所長的張恩和擔任"運七"飛機用渦槳五甲1發動機降油耗工程的總設計師,在與國外技術專家的配合下,張總領導團隊,實現了降油9.4%的目標,獲得國內適航證並裝"運七"飛機投入航線使用。張恩和榮立部級一等功,獲得金質獎章。

由於在軍機和民品領域的突出成績,1987年太行發動機正式立項時,張恩和被任命為行政副總指揮。1991年,他正式擔任"太行"發動機總設計師。2005年12月28日,太行發動機通過設計定型審查。2006年3月,發動機正式定型。這標誌著我國在自主研製航空發動機的道路上實現了從中等推力到大推力,從渦噴到渦扇,從第二代到第三代的三大歷史性跨越,使我軍武器裝備躍上一個新臺階,是我國航空工業發展最具標誌性的重大成果之一。

轉自:飛行邦

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