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重磅!中国航空发动机新进展:从涡扇-5到涡扇-20
时间:2022-08-18 02:38:19|来源:火狐iOS下载 作者:火狐体育苹果版 字号[大][中][小]

  2022年3月12日,CCTV13新闻频道的《军情时间到》节目披露运-20换装了新型国产发动机,即大涵道比涡扇发动机涡扇-20,并配发了换发后的运-20图片。

  而在此之前的2021年中国航展上,运-20总师唐长红院士就透露,运-20不仅换装了国产发动机,而且还有两型,都是我们自主研制的发动机,都在试飞的过程中,而且进展比较顺利。

  为此,兵工科技杂志在今年第6期推出了封面文章——《从涡扇-5到涡扇-20,中国军用涡轮风扇发动机发展历程》,用一万多字的篇幅详细回顾了我国涡扇发动机的发展过程及启示。

  上世纪60年代,涡扇发动机开始取代涡喷发动机,成为涡轮喷气式发动机的发展方向,为了追赶世界先进水平,中国决定开始自行研制涡扇发动机,拉开了中国涡扇发动机半个多世纪发展的序幕。而今,中国涡扇发动机的发展,终于取得了巨大的成就!

  1963年1月,沈阳发动机研究所(606所)根据空军要求改进轰-5轰炸机而提出的技术指标,在涡喷-6发动机的基础上,开始研制一种后风扇式涡轮风扇发动机,定名为涡扇-5。该型发动机为单转子、无加力后风扇发动机,1971年装于一架轰-5上进行了多次滑跑试验。当时只装了一台涡扇-5,这架飞机被称为轰-5改。后空军撤消了对轰-5改进的计划,涡扇-5于1973年5月停止研制。

  涡扇-5的研制是我国在航空技术领域的一次有益尝试,且与世界先进水平的时间距离并不长,但后风扇式不是涡扇发动机技术的主流。即使这样,它也不失为中国研制涡扇发动机的宝贵经验。

  1964年沈阳航空发动机研究所开始为空军新一代歼击机歼-9研制加力式涡扇发动机,编号为涡扇-6。

  涡扇-6发动机是沈阳航空发动机研究所自行研制的第一种推重比为6一级的军用加力涡扇发动机。它是针对高空高速歼击机的技术要求而设计的。据称涡扇-6性能与MK-202、M-53相当,其改型涡扇-6G要高于以上两型发动机。后因空军飞机研制计划的改变,涡扇-6失去使用对象,于1984年停止研制。

  涡扇-6的研制,是中国第一次自行研制设计先进涡轮风扇发动机的努力和尝试,为中国日后航空发动机技术的发展积累了非常宝贵的经验和教训。

  1970年8月,国家有关部门根据中央的指示,向上海市下达研制大型客机(代号“运-10”)的任务。研制生产大型飞机,最关键是自主研发大推力涡扇发动机。上海市把研制大推力涡扇发动机的任务,交给上海长征机械厂作为大型客机的重点配套项目进行研发。

  这就是涡扇-8发动机,曾用代号915发动机,属前风扇、短外函、轴流式双转子涡轮风扇发动机。该发动机于1972年开始投料试制,1979年10月涡扇-8定型,至1980年底国家投资1.84亿元,共生产3轮计12台发动机。1983年6月,上海市航空工业办公室召开涡扇-8发动机研制成果总结交流会,认为已基本具备设计定型的条件和小批量生产的能力。后因运-10飞机停止研制,发动机研制也告一段落。

  涡扇-8虽然停产下马,但却是我国仿制研发客机用涡扇发动机的开始。1985年5月23日,美国通用电器公司航空发动机分部副总裁克莱勃司到航发厂参观时说:“你们在10年前能完成这样一台十分复杂的发动机,的确是一个伟绩。即使在今天看到它,也给我留下了极深刻的印象。”

  20世纪60年代初,我国航空发动机对外引进的途径因中苏交恶而中断,而此时我国尚未完全掌握相对落后的涡喷-6发动机的制造工艺,长期以来其翻修寿命仅为100小时,而仿制的相对更先进的涡喷-7的寿命仅为50小时。为解决我国航空发动机极端落后的现状,1970年代以来,中国也曾在涡喷-5的基础上研制了后置风扇设计的涡扇-5,并大胆开拓研制涡扇-6等涡扇发动机,但薄弱的基础决定了最终的失败是必然的。研制的涡扇-5、涡扇-6也相继下马,完全无法正常装备部队使用。自行研制接续不上,造成现役的发动机性能相比其他不断发展进步的国家日益落后。

  1971年12月,周恩来总理同意从英国罗尔斯-罗伊斯公司进口一批民用“斯贝”发动机。

  虽然“斯贝”是西方60年代末的产品,也是第一代带加力燃烧室的涡扇发动机。存在结构复杂,推重比较低,高空性能差等缺点。但是在当时的情况下,能获得这样一款发动机对于多年来一直受到西方国家严密技术封锁,根本无从接触西方先进航空发动机技术的中国而言是可遇而不可求的事情。国家决策从英国引进“斯贝”发动机,然后搞国产化。西安航空发动机厂于1976年开始研制工作。1979年下半年,我国就用英国提供的部件组装出了两批四台发动机,在中国进行了150小时持久试车并在英国进行了高空台试车,零下40°启动试车和五大核心部件循环疲劳试验,全部考核都圆满成功。也就是说我国用三年时间就基本掌握了一种全新西方发动机的组装技术。后来由于“斯贝”发动机装到哪个飞机上的问题一直没有确定而终止了国产化进程,造成设备闲置、人才流失。最初从英国购买的50台新发动机也放在仓库里,一放就是七八年。在那段时间里,对“斯贝”MK202军用型进行仿制和自主生产暂停了,整个发动机的技术引进工程也暂停了。

  此时,因海军和空军对对面攻击飞机的需求而上马的歼轰-7“飞豹”歼击轰炸机选用了“斯贝”发动机,从而挽救了“斯贝”的命运。

  在当时没有其他现成发动机可以选择的情况下,“斯贝”Mk202发动机最终被选作“飞豹”的发动机,为配合“飞豹”的生产很快就将引进的40多台发动机耗尽。同时由于后续发动机不能及时供应跟上,使得“飞豹”的生产一度限于停顿之中。为保证“飞豹”的生产,1990年代中国向英国购入了一批库存的二手的“斯贝”Mk202发动机,以确保“飞豹”歼击轰炸机持续生产所需。

  当然,光靠买解决不了所有问题,随后“斯贝”的仿制和国产化工作在西安航空发动机厂全面展开。中国借助仿制“斯贝”,掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术,包括金属喷漆、线项国内先进工艺技术,更重要的是学到了项目管理、质量控制、寿命考核等航发项目管理内容。1995年11月,国产化率70%的涡扇-9发动机(此时已授予“斯贝”Mk202发动机国产化型号以涡扇-9的正式编号)通过了150小时持久试车。1999年下半年,涡扇-9发动机全面国产化工作启动,2001年,全部国产化并且部分采用我国工艺的涡扇-9发动机通过150小时工艺试车,并被命名为“秦岭”。在2003年7月17日,国产化涡扇-9终于通过国产化工程技术鉴定,获准投入批量生产。一直到2007年12月,“秦岭”发动机才正式通过生产定型。

  上世纪80年代,中国开始研制国产第三代战斗机,为国产战斗机研制国产“心脏”,成为中国航空发动机工业的主要任务,这就是代号涡扇-10的“太行”发动机。“太行”发动机是中国第一台自行研制的具有自主知识产权的大推力加力式涡轮风扇发动机,从20世纪80年代后期开始验证机研制,2006年3月24日正式设计定型。

  “太行”推重比达到8一级,最大加力推力达到125千牛,完全达到世界第三代涡扇发动机的技术水平,使中国成为继美、英、法、俄之后,第五个能够自主研制先进大推力涡扇发动机的国家,正式进入航空发动机精英俱乐部。

  涡扇-10经历多年研发,先后推出了基本型号涡扇-10和实际装机型号涡扇-10A。涡扇-10A在装机歼-11B国产重型双发战斗机后,在使用中不断暴露和发现各种问题(如一级叶片断裂,打伤发动机机匣等设备),同时在后续生产研发中陆续予以改进,推出了“高可靠性”改进型涡扇-10B,涡扇-10B在推力达到设计标准的同时,最关键的是其可靠性和实际使用寿命大幅提升,发动机首翻期和寿命指标显著改善。

  2018年珠海航展上,“太行”涡扇-10B基础上改进而来的矢量推力型发动机首次亮相。涡扇-10B矢推版发动机最大的技术特点,是采用了隐身的矢量推力喷管,矢量推力有利于进一步提升战斗机的超机动能力。

  在2021年的珠海航展上,中国航发公开展示了新款的“太行”发动机发展型,从公开的报道来看,改进的重点是针对传动润滑,控制系统和前后端构件进行了改进。

  根据歼-20研发两步走的战略,第一阶段将使用“太行”改进型发动机作为动力;第二阶段则将安装新一代的目标发动机,这就是涡扇-15“峨眉”,中国自主研发的第五代国产小涵道比大推力军用涡扇发动机。

  涡扇-15由中国航空发动机集团公司沈阳发动机设计研究所和燃气涡轮研究院设计研发,沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司制造,是与俄罗斯“产品30”型发动机和美国普拉特惠特尼F119-PW-100处于同一级别和技术水平的,推重比10一级的先进航空发动机。

  涡扇-15采取了全新的研制流程,即先研制高性能先进核心机,然后在核心机基础上发展小涵道比和高涵道比涡扇发动机的策略。这也是中国第一次从研制核心机入手来研制航空发动机。先研制核心机有许多好处,其一是在核心机研制过程中,压力机、燃烧室、涡轮等核心部件可以经过长时间的试车和各种试验,可以充分暴露出设计、材料和工艺方面的问题,使得科研人员能够有针对性地进行改进,排除所有的技术障碍和隐患,而核心机一旦成熟,就会成为一款新型涡扇发动机的坚实技术基础,这款发动机在使用过程中,出现的故障和问题就会大大减少;其二是基于一款先进核心机,可以发展出多种推力和涵道比不同的系列发动机,用于战斗机、轰炸机、运输机甚至于民航客机等多种飞行平台。

  运-20国产大型运输机研制成功,在试飞和早期生产阶段使用的是俄制D-30K P2发动机,然而该发动机进口量有限,严重限制了运-20的生产。在运-20的目标发动机研制成功前,中国的航空发动机部门采用了一种折中的策略,打算先仿制D-30K P2发动机研发一种替代型号,作为运-20目标发动机涡扇-20的研制备份,一旦涡扇-20不顺利,则保证运-20不受影响。这个发动机就是涡扇-18。

  涡扇-18是在仿制测绘D-30K P2发动机的基础上,结合部分我们已经掌握的先进技术研制的国产化型号,由成都航空发动机公司研发制造。

  目前,从俄罗斯国防出口公司的公开资料来看,中国并没有继续向俄罗斯进口D-30K P2发动机的打算,至于涡扇-18的进度,早在2014年12月6日,就有外媒发布图片表明,某型国产发动机在伊尔-76验证机平台上首飞成功,这应该就是指涡扇-18发动机,此后,涡扇-18发动机一直在验证机平台上进行飞行验证,各项指标已经趋于成熟。

  涡扇-18毕竟是以一款总体技术水平有限的老型号的低涵道比涡扇发动机为蓝本研发制造的,这限制了它性能的继续提升。根据此前中国航空发动机集团公司对外公布的计划,中国航发集团正在研制一款性能更加先进的高涵道比涡扇发动机涡扇-20。

  涡扇-20是以涡扇-10“太行”发动机的核心机为基础发展而来的高涵道比无加力后燃室的新型发动机,它与以F101军用发动机核心机发展而来的大名鼎鼎的CFM-56发动机处于统一技术水平,其综合性能明显优于D-30KP-2发动机。

  目前,涡扇-20已经开始进入飞行试验平台进行运-20的本机装机适配和飞行试验,这表明其已经经过了原型机整机地面试验、长久试车、高空台试验等多个阶段,进入了原型机定型前的最后阶段。从技术角度看,如果飞行试验平台上的试飞一切顺利的线将安装在批生产型的运-20运输机上,进入小规模低速试生产阶段,并等待进一步的定型和全面批生产。由此看来,涡扇-20的研制已经接近尾声。

  央视报道中已经公开透露运-20 781换装国产涡扇-20发动机的消息,这充分表明涡扇-20的研制生产进度一切顺利,因此,2025年前有望进入大规模批生产阶段,届时第二阶段运-20B将进入生产的高峰期。到时候中国空军的运-20、运油-20等机队,将全面开始换装涡扇-20,中国空军的战略作战能力将得到显著提升。

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