航空发动机是⼀种⾼度复杂和精密的热⼒机械,为航空器提供飞⾏所需动⼒。作为飞机的⼼脏,被誉为“⼯业之花”,它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是⼀个国家科技、⼯业和国防实⼒的重要体现。航空发动机主要有三种类型:活塞式航空发动机,燃⽓涡轮发动机,冲压发动机。
我国航空发动机的研制始于上世纪六⼗年代,⼤致经历了三个阶段,第⼀阶段是60年代⾄80年代中期,这⼀阶段主要特征是引进国外发动机仿制结合⾃主研发,其中代表型号是涡喷-6和涡扇-9。涡喷-6是在苏制Pд-9Б喷⽓发动机基础上仿制⽽形成的第⼀个发动机系列型号,涡扇-9是西安航空发动机公司根据从英国罗尔斯·罗伊斯公司引进的斯贝MK202发动机试制⽽成的,代号为WS-9。第⼆阶段是80年代中期⾄90年代末期,这⼀阶段以⾃主研发为主,代表型号有涡喷14型发动机和涡扇-10系列发动机。涡喷14⼜称“昆仑”发动机,是我国⾃⾏研制的第⼀台具有全部知识产权的中等推⼒级加⼒涡轮喷⽓发动机。涡扇-10系列发动机简称WS-10,代号“太⾏”,是由中国航空研究院606所研制的国产第三代⼤型军⽤航空涡轮风扇发动机,也是中国第⼀台⼤推⼒涡轮风扇发动机。第三阶段是2000年初⾄今,经过近50年的发展,已经建⽴了相对完整的发动机研制⽣产体系,具备了涡桨、涡喷、涡扇、涡轴等各类发动机的系列研制⽣产能⼒,并向世界先进⽔平迈进。 中国第⼀款同类涡喷发动机:涡喷6型发动机
※研制历程
涡喷-6系列发动机是中国⽣产的第⼀个轴流式单转⼦带加⼒燃烧室的涡轮喷⽓发动机,于1966年5⽉正式被命名为“涡喷6型发动机”。涡喷-6(WP-6)航空发动机正是以前苏联⽶格-19飞机的动⼒装置为原样机发展形成的,苏联只提供技术资料,完全由中⽅试制。
1958年,黎明发动机制造公司(410⼚)根据前苏联提供的爱尔德-9Б(Pд-9Б)技术资料开始试制涡喷-6发动机。1959年3⽉,国家鉴定委员会鉴定验收、批准投产,但到1961年10⽉才通过了全寿命(即100⼩时)试车考核,此后⽅开始实际批⽣产。经过多年改进,1965年底批准第⼀次返修寿命延长到200⼩时,然⽽由于对原设计的薄弱环节没有细致分析,仅3年时间,涡喷-6发动机的涡和⽕焰筒在使⽤中就出现重⼤事故,迫使把使⽤寿命⼜缩回到100⼩时。1970年沈阳航空发动机⼚⼜组织⼒量为涡喷-6发动机延寿,于1972年将涡喷-6发动机的⾸翻期提⾼到200⼩时。同时成都发动机公司也开始试制该机并于1964年⾄1982年间进⾏了⼤量改进。1977年,涡喷-6型发动机实现了在歼-6和强-5飞机上通⽤的⽬标。
※主要改型
涡喷-6系列主要有涡喷-6甲和涡喷-6⼄这两个改型。涡喷-6甲系黎明发动机制造公司为满⾜强-5飞机的需要改型研制的,从1964年到1983年,经过四个批次的改进,性能有较⼤提⾼。⽽涡喷-⼄系成都发动机制造公司为满⾜歼-12的需要改型研制的,推⼒成功提⾼了800公⽄,但后因歼-12下马⽽停⽌研制。直⾄1984年,沈阳航空发动机⼚⾸次将中国独创的沙丘驻涡⽕焰稳定器(北航⾼歌发明)成功应⽤于涡喷-6的改进型,彻底解决了Pд-9Б所固有的振荡燃烧现象,提⾼了涡喷-6的改进型的性能。
通过持续的改进改型,涡喷-6系列发动机终于接近了⼆代机的⽔平,成为产量最⼤的国产航空发动机。主要⽤于歼-6系列和强-5系列国产战机,⽬前仍有相当数量在役。
斯贝MK202国产型:涡扇9
70年代以来,西⽅的第三代战⽃机纷纷采⽤先进的涡扇发动机。涡扇较之涡喷发动机具有推⼒⼤,噪声⼩,油耗低等优点。在这种压⼒之下,1971年12⽉,国家领导⼈彻夜召开航空产品质量座谈会,当场同意从英国罗尔斯·罗伊斯公司引进⼀批民⽤斯贝发动机以研制我国的涡扇发动机,这就是涡扇-9的起源。
西安航空发动机公司根据1975年12⽉13⽇中国技术进⼝总公司与英国罗尔斯·罗伊斯公司签订的斯贝MK202发动机专利许可权和⽣产合同开始研发涡扇-9双转⼦加⼒式涡轮风扇发动机,代号为WS-9。1976年3⽉,西安发动机⼚开始全⾯试制,1979年7⽉25⽇,第⼀台使⽤英国⽑料制造的零组件并⽤罗尔斯·罗伊斯公司的外购件和附件的涡扇-9发动完成装配。1979年下半年,分两批装出了4台发动机,同年11⽉13⽇,由中英双⽅共同完成了150⼩时持久试车考核。1980年2⽉⾄5⽉,中国制造的两台涡扇-9发动机和两套部件⼜在英国完成了⾼空模拟试车,零下40摄⽒度条件下起动试车,以及5⼤部件的循环疲劳强度试验,结果都符合技术要求。1980年5⽉30⽇,中英双⽅代表签署了中国涡扇-9
发动机考核成功的⽂件。按计划,当时应该接着进⾏国产⽑料试制,但由于当时国民经济调整,使涡扇-9国产化进度拖后,1983年才取得初步进展。压缩机叶⽚的铸造技术到1988年才得以突破。90年代初期,随着飞豹研制⼯作的展开,涡扇-9的全⾯国产化⼯作也提到议事⽇程上来,95年11⽉,部分国产化的涡扇-9通过150⼩时试车,此时涡扇-9的国产化率已达到70%,仍有部分零件不能⽣产。
1999年下半年,涡扇-9发动机全⾯国产化⼯作启动,西安航空发动机⼚先后攻克⽆余量精锻(精铸)⼯艺,数字式电⼦控制系统等⼀系列难关,西航集团公司仅⽤了20天时间就完成了发动机的装配,在成功进⾏了两次冷运转后,于2000年底⼀次点⽕成功,随即开始的150⼩时⼯艺试车于2001年圆满结束,试车检验结果表明各项性能技术指标均达到要求,涡扇-9被重新命名为秦岭发动机,2007年12⽉,“秦岭”发动机正式通过⽣产定型。
第⼀台具备全部知识产权的中推涡喷:涡喷14型发动机
※研制历程
80年代中期,我国航空发动机的研制能⼒已有了长⾜进步,可以⽣产出⼀⼤批性能较为先进的涡喷发动机来满⾜空军部队的作战要求,但这些发动机基本上都是在前苏联发动机基础上的改进、改型,且整体技术⽔平落后,严重制约了我国航空发动机制造⼯业以及军⽤战机的发展。在这种背景下,为解决中国战机所⾯临的问题,我国决定开始⾃⾏研制航空发动机。涡喷14型(⼜称“昆仑”)发动机就是我国⾃⾏研制的第⼀台具有全部知识产权的中等推⼒级加⼒涡轮喷⽓发动机。
1984年,沈阳航空发动机研究所开始研制涡喷-14发动机,1986年,完成验证机阶段⼯作,转⼊型号研制。此时恰逢我国颁布了全新的国军标GJB241-87“航空涡轮喷⽓和涡轮风扇发动机通⽤规范”,因此该型发动机成为中国第⼀款贯彻国军标的发动机。
※结构与性能
“昆仑”发动机为双转⼦带加⼒式涡喷发动机,采⽤了现在世界先进发动机都在应⽤的定向凝固、⽆余量精铸、复合冷却空⼼涡轮叶⽚尖端技术。这个技术的应⽤使我国在同等材料⽔平上有效地提⾼涡前温度,⼤⼤提⾼了发动机地推⼒。同时,昆仑发动机还采⽤了带⽓动雾化喷嘴地环形燃烧室、复合⽓
冷定向凝固⽆余量精铸涡轮叶⽚、⾼级陶瓷涂层、数字式防喘系统和状态监控等技术,有效地提⾼了发动机⼯作的稳定性和可靠性。“昆仑”发动机总体达到了世界80年代中期的技术⽔平。
昆仑发动机在设计时就考虑了换发易改装的要求,可以应⽤于国产歼-7和歼-8系列上。夏季飞机可以不开加⼒起飞。另外,昆仑发动机左右可互换。减少备份发动机的台数,减少了发动机的采购费⽤。发动机寿命长,省油,减少了使⽤费⽤,发动机价格虽然⽐同类发动机略贵,但全寿命周期费⽤却⼤⼤降低。
※主要改型
昆仑发动机的改型有“昆仑”I、“昆仑”II型。I型是原型1号机的改型机,主要是对外部机匣、附件等外部部件进⾏了适应性改造,以提⾼其装配性能。“昆仑”II型则是加⼤推⼒型,是⽬前我国最先进的涡喷发动机。2002年,“昆仑”II的加⼒推⼒达到7800千克,现已提⾼到加⼒8010千克,最⼤5780千克,推重⽐7.22。发展型昆仑3加⼒为8930千克,推重⽐为8.05。
由于“昆仑”II型发动机的安装⽅式和外形尺⼨与我国⼤量在役的涡喷7、涡喷13系列发动机基本相同,具有很好的互换性,因此可以很⽅便地安装到现役各型歼-7、歼-8飞机上,从⽽使这两种飞机的性能有了⼀个跨越式的提⾼,极⼤地提⾼了我海空军航空兵的空中作战能⼒。
中国第⼀台⼤推⼒涡扇:涡扇10型发动机
※研制历程
涡扇-10系列发动机,简称WS-10,代号“太⾏”,是由中国航空研究院606所研制的国产第三代⼤型军⽤航空涡轮风扇发动机,也是中国第⼀台⼤推⼒涡轮风扇发动机。
⼋⼗年代初期,中国航空研究院606所因70年代上马的歼-9、歼-13、强-6、⼤型运输机等项⽬的纷纷下马,与之配套的研发长达⼆⼗年的涡扇-6系列发动也因⽆装配对象被迫下马,此时中国在航空动⼒⽅⾯与世界发达国家的差距拉到⼆⼗
研发长达⼆⼗年的涡扇-6系列发动也因⽆装配对象被迫下马,此时中国在航空动⼒⽅⾯与世界发达国家的差距拉到⼆⼗年之上。⾯对中国航空界的严峻局⾯,国家于⼋⼗年代中期决定发展新⼀代⼤推⼒涡扇发动机,这就是涡扇-10系列发动机的起源。
涡扇-10⼯程于1987年10⽉⽴项,同年,涡扇-10系列发动机进⼊验证机研制阶段,1992年10⽉验证机在086号飞⾏台上开始试验,97年开始型号研制(飞⾏前试验阶段)并进⼊发动机与型号匹配的突击阶段,2000年10⽉开始⾼空台试验。该型号发动机装机⾸飞是在2001年7⽉,2002年6⽉装单台太⾏发动机的苏27试飞台进⾏了⾸飞,取得阶段性成果,2003年12⽉装两台WS10A的歼11A⾸飞,03-04年间WS10A开始试装歼10战⽃机。2005年5⽉11⽇开始定型持久试车,2005年11⽉10⽇通过长久初始寿命试车,05年12⽉28⽇完成定型审查考核。
WS-10A涡扇发动机是WS-10的发展型号,主要装备于J11B战⽃机。WS-10A发动机与WS-10“太⾏”发动机最⼤的区别是核⼼机技术不同,WS-10A的核⼼机是CFM56核⼼机技术与AL-31F的核⼼机技术相结合的产物。WS-10A发动机的整体性能接近F110-GE-129IPE(F110的性能改进型)。
※结构与性能
涡扇10/10A是⼀种采⽤三级风扇,九级整流,⼀级⾼压,⼀级低压共⼗⼆级,单级⾼效⾼功⾼低压涡轮,即所谓的
3+9+1+1结构。研制该发动机机时成功地采⽤了跨⾳速风扇;⽓冷⾼温叶⽚,电⼦束焊整体风扇转⼦,钛合⾦精铸中介机匣;挤压油膜轴承,刷式密封,⾼能点⽕电嘴,⽓芯式加⼒燃油泵,带可变弯度的整流叶⽚,收敛扩散随⼝,⾼压机匣处理以及整机单元体设计等先进技术。
在“太⾏”的早期型上,其⾼压涡轮叶⽚采⽤的是DZ125定向凝固合⾦,但定型批产估计会采⽤DD6单晶合⾦,涡早期型应⽤的是GH4169⾼温合⾦,如今已经开始应⽤FGH95粉末冶⾦。⾼低压涡轮采⽤对转结构,这在第三代发动机上是极其罕见的。
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