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国外现役战斗机发动机概述

目前,世界上只有美国、俄罗斯、英国和法国具备了独立研制和生产第四、五代战斗机动力装置的能力。由于国情不同,各种型号的涡扇发动机在研制发展、结构设计和性能水平等方面各有不同。在现役第四代战斗机中,美国空军的F-15、F-16战斗机安装了F100系列、F110系列涡扇发动机,美国海军的F/A-18战斗机先后装备了F404系列发动机,俄罗斯的米格-29战斗机和苏-27战斗机分别装有RD-33和AL-31F涡扇发动机,西欧的'狂风'战斗机和法国的'幻影'2000战斗机分别装备了RB199和M53涡扇发动机。

一、美国实力雄厚、技术领先

美国第四代战斗机上的典型发动机主要有F100、F110、F404三大系列。

作为世界上最早配置在第四代战斗机上的发动机,F100发动机为达到推重比8.0的设计目标,在工作参数和结构材料方面率先采用了许多前所未有的技术。一是'两高一低'的工作参数,即高增压比、高涡轮前温度和低涵道比;二是采用高强度重量比的耐高温合金,使涡轮前温度超过167OK,从而使最大推力达到66千牛,加力推力达到106千牛。另外,F100发动机率先采用了平衡梁式可调喷管和5个单元体结构,前者具有性能好、重量轻的特点,后者有利于外场维护更换。

然而,由于单纯注重发动机的性能,F100-PW-100发动机在使用中出现了许多可靠性、耐久性和维修性方面的问题,曾经一度使美国空军的F-15、F-16战斗机处于停飞状态。为此,普惠公司采取一系列措施来解决所存在的问题,从而发展出F100-PW-220发动机,开始改装到F-15和F-16战斗机上。随后,该系列发动机又进一步发展出229、229IPE等型号,主要改进是采用了高流量风扇、浮壁式火焰筒、单晶合金导向涡轮叶片、定向凝固涡轮转子叶片和数字式控制系统等部件,从而使加力推力分别增加到129千牛和156千牛。

普惠公司的F100-PW-220/-220E发动机

通用电器公司在研制F110发动机时,充分吸取了普惠公司的教训,研制工作中贯彻了完整性大纲,使F100发动机的可靠性和耐久性在投入使用时就得到保证。F110-GE-100发动机成为F-15和F-16战斗机的动力装置,最大推力为122.3千牛,推重比7.07。目前,正在广泛使用的是F110-GE-129IPE发动机。与早期型相比,该发动机提高了转速,涡轮前温度增大80度,涵道比减小到0.76,使最大加力推力增大到133.4千牛。同时,采用全权限数字式电子控制,油门杆在飞行包线内元任何约束,有利于飞行员集中精力执行作战任务。90年代末,通用电气公司在此基础上又发展出129EFE型发动机,充分利用了整体叶盘风扇、宽弦叶片、径向火焰稳定器等最新技术,将推力进一步提高了17.2%,达到151千牛。

GE公司的 F110 发动机

美国海军F/A-18舰载战斗机的F404涡扇发动机在研制过程中,更加突出可靠性和维护性要求,通用电气公司将作战适用性放在首位,并不追求过高的性能指标,而且采用经过验证的最新技术,保持发动机结构简单、使用可靠,这对于F404发动机的成功研制起到了关键作用。F404加力推力为71.2千牛,推重比7.24,高压压气机的稳定工作裕度达到25%。除了F/A-18战斗机外,为满足不同战斗机的需求,通用电气公司还研制出F404发动机的多种改型,分别用于A-6F、JAS-39(在F404-GE-400基础上改进而来的RMl2)和LCA等战斗机上,还曾经计划用于A-12隐形攻击机的改进型。

GE公司F404发动机

根据美国海军发展F/A-18E/F战斗机的需要,通用电气公司以F404发动机为基础,充分利用多项成熟技术,成功地研制出F414发动机。为提高推重比,F414发动机主要通过增大空气流量、提高增压比、增加涡轮前温度、减轻结构重量等措施,使加力推力达到98千牛、最大推力达到60千牛,分别比F404发动机提高了38%和28%,从而使推重比达到9.1,通过渐改使发动机达到一个新的水平。

GE公司F414发动机

美国第五代战机发动机目前主要是以XF119、XF120为基础的F119、F120、F135、F136等型号。普惠设计的F119-PW-100涡扇发动机,是为美军的第五代战斗机F-22研制的双转子小涵道比加力涡扇发动机,采用可上下偏转的二维矢量喷管,上下偏转角度为20度,推力和矢量由数字电子系统控制。1992年12月17日首台EMD型F119发动机首次试车,1997年9月7日装F119-PW-100的F-22首飞,从此,F119-PW-100开始了长达数年的飞行试验计划。长4.826米,最大直径1.13米,重1360公斤,最大推力156千牛,推重比11.7。与普惠公司为第四代战斗机F-15、F-16研制的推重比为8一级的F100发动机相比,F119在总级数、零件数、推重比等均有较大的改进和提升。其中突出的变化,一是高压转子支撑方式改用了通用电气公司惯用的形式,二是高压涡轮采用了单级设计。高压转子支撑方式改用通用电气公司惯用的1-0-1后支点为中介轴承的方式和单级高压涡轮设计,可以有效降低发动机的重量和部件数量的同时进一步提高推重比。

普惠公司的F119发动机

普惠公司的F135发动机

二、俄罗斯毫不逊色

俄罗斯战斗机上配备的典型发动机主要是RD-33和AL-31。

为了满足米格-29歼击机的高空、高速性能的需要,俄罗斯的克里莫夫设汁局研制出RD-33涡扇发动机,特别突出了高度、速度特性。由于米格-29战斗机是一种轻型前线歼击机,因此RD-33发动机的最大直径受到限制,空气流量只有76公斤/秒,涵道比0.48,因此加力推力只有81.4千牛,与美国的主要发动机相比推力低一些,但在总体性能上却毫不逊色。首先是推重比高。RD-33发动机的4级风扇、9级高压压气机和混合器等部件都大量采用铁合金,明显减少发动机重量,因此推重比达到7.8。为提高涡轮前温度,RD-33发动机的单级高压涡轮采用了单晶叶片和粉末冶金盘,单级低压涡轮采用了对流冷却叶片,从而在起飞状态达到154OK,在高速飞行状态可达到169OK,这一温度值甚至高出AL-31F发动机的工作瘟度。其次是稳定工作性能好。为保证工作稳定性,RD-33发动机在第1级风扇采用了处理机匣以改善叶尖处气流流动状态,在第4级静子叶片采用双排串列式叶栅来保证进入高压压气机的气流稳定;高压压气机的进口导流叶片和第1、2级静子叶片采用可调旋转叶片,能够根据不同工作状态改变叶片工作角度,第9级静子也采用双排串列叶栅。通过这些设计,RD-33发动机的工作非常稳定,可以在飞行包线内任一点实现空中起动和接通加力,从而满足米格29战斗机的机动性要求。

俄罗斯RD-33发动机

作为苏-27系列战斗机的动力装置,AL-31F涡扇发动机在设计思想、关键技术和主要性能方面有其独到之处。AL31F发动机在设计上突出了推重比指标,为此留里卡设计局在结构设计上曾经进行过大幅度改动。在竭力追求较高推重比的研制过程中,该发动机分别从空气流量和结构重量等方面着手,最终在性能水平上超出了美国同级别发动机。一是增大空气流量。AL-31F发动机的进口直径为938毫米,设计中选择了较大的涵道比0.6,以得到较大的外涵空气流量,使发动机最大状态推力达到76千牛,全加力状态推力达到125千牛。同时,在总增压比不太高的情况下,较大的涵道比可以降低发动机耗油率,有利于增大苏-27战斗机的作战半径和转场航程。

二是减轻结构重量。AL-31F发动机在风扇、高压压气机、加力筒体和喷管外罩等部件上采用大量钛合金材料,风扇和压气机采用电子束焊接的整体结构,使发动机重量得以减轻,整机重量只有1530公斤,推重比达到8.17,略高于目前已投入使用的西方同类发动机。因此,当苏-27战斗机的'眼镜蛇'机动进入垂直状态时,完全借助于AL-31F发动机所产生的强劲推力。

与此同时,留里卡设计局针对苏-27战斗机高机动性的特点,还充分考虑到AL-31F发动机的稳定工作特性。由于进口条件的急剧变化,AL-3lF发动机必须具备较大的稳定工作裕度,并根据进口参数的改变而及时地调节相关部件和循环参数,始终保持发动机持续可靠地工作。因此,为满足这一设计目的,AL-3lF发动机在设计参数的选取上,只采用了中等增压比23.8,以降低各增压级的负荷,并在结构设计上采用了变弯度叶片、处理机匣、双排叶栅和可调叶片等多种调节措施。

俄罗斯AL-31F发动机

三、英法独辟蹊径

20世纪60年代,为了满足研制'狂风'多用途战斗机的需要,英国的罗·罗公司、联邦德国的慕尼黑MTU公司和意大利的菲亚特公司开始联合研制RB199加力式涡轮风扇发动机。根据'狂风'战斗机的作战任务要求,新型发动机必须具备以下特点:短距起飞时需要的最大加力推力、低空突防和空中巡逻需要的不加力推力、机动飞行需要的较大剩余推力。为此,RB199发动机在热力循环参数的选择上,采用了中等流量比、高增压比、高涡轮前温度和高加力温度,相应在结构设计上独具特色。

RB199涡扇发动机采用了三转子结构,风扇、中压压气机和高压压气机分别为3级、3级和6级。作为罗·罗公司的独家技术,三转子设计的目的是追求高增压比与较大稳定工作裕度,这样不仅有利于发动机推力的快速响应,以满足战斗机机动飞行的要求,而且有利于降低发动机的耗油率,增加战斗机的航程。更为独特的是,该发动机的高压转子与中压、低压转子的旋转方向相反,其优点是大大减小陀螺力矩。

RB199发动机的加力燃烧室采用了混合器和火焰稳定器合二为一的设计。从结构上看,内涵道后面设有两圈V型火焰稳定器,外涵道设有倒置'漏斗'式稳定器和径向传焰肋。这一设计,可以明显缩短加力燃烧室长度,使发动机结构更加紧凑。工作时,内、外涵分别喷油和组织燃烧,然后再进行混合,加力温度达190OK。以最初安装在'狂风'战斗机上的B199MK103型发动机为例,其加力推力达到71.1千牛,推重比达到7.93。

RB199发动机

作为世界上第四大航空发动机公司,法国的斯奈克玛公司从1967年开始设计M53涡扇发动机,以满足80年代的高速高性能多用途战斗机的需要。该发动机以'阿塔'系列涡喷发动机为基础,设计过程中沿用了单转子结构,这在加力式涡扇发动机中是独一无二的。这样设计主要考虑到技术的沿承性,以便总体结构简单,降低技术风险,缩短研制周期,但也在很大程度上限制了发动机的性能。由于单轴结构上的限制,M53发动机的涵道比只有0.3。这样才能兼顾风扇和高压压气机叶尖速度的要求,却无法充分发挥高压压气机的作用。

M53发动机具有高速飞行时单位推力大、低空巡航时耗油率低的优点,油门使用上没有限制,可以在低速到M2.2的范围内任意操纵。为了提高'幻影'2000-5战斗机的性能,斯奈克玛公司在提高M53-P2发动机性能方面的主要措施包括:采用先进的风扇设计,增大了涵道比,使空气流量增加近10%;增加一级涡轮,重新设计热端部件,采用气膜加对流冷却方式,涡轮前温度提高了40度。这些技术的应用有利于增大发动机推力,使加力推力达到97千牛,从而提高了飞机的推重比,改善飞机的速度特性和机动性能。

值得指出的是,由于未采用进口导流叶片,M53发动机也存在着潜在的设计缺陷。M53-P2发动机的三级风扇叶片直接与进气道相连,迎面而来的飞鸟极有可能被进气道进口处强大的气流吸入,以极大的相对速度产生巨大撞击力,直接打坏高速旋转的风扇叶片,并进一步破坏发动机内部结构,导致M53-P2发动机不能正常工作,失去应有的推力。特别是对于采用单台发动机的'幻影'2000战斗机来说,极易发生机毁人亡的事故。

M53发动机

四、四代半和第五代战斗机发动机点评

为了满足第五代战斗机和四代半战斗机的需求,美、英、法、俄等国家从20世纪80年代初开始研究推重比为10的发动机方案,经过部件设计、核心机试验和验证机的研制,新一代加力式涡扇发动机己经陆续投入装备使用。其中,美国倚仗技术优势为F-22战斗机研制出推力155.7千牛的F119涡扇发动机,英国、德国、意大利和西班牙通过国际合作为'台风'战斗机研制出推力90千牛的EJ200涡扇发动机,法国依然立足本国为'阵风'战斗机研制出推力75千牛的M88系列涡扇发动机,瑞典为其JAS-39配备的RM12C推力达89千牛,俄罗斯正在为新一代战斗机全力研制AL-41F涡扇发动机,推力有可能达到180千牛。从战术技术要求来看,美国的F-22战斗机对F119-PW-100发动机的技术和性能要求最具有代表性。

首当其冲的是超音速巡航能力要求发动机推重比高。为此,新一代发动机在循环参数上都采用了偏小的涵道比,如F119为0.2,EJ200为0.4,M88-2为0.5??梢允共患恿ψ刺峦屏υ龃?,加力状态下耗油率降低。从结构技术角度来看,较小的涵道比要求风扇增压比较大,因此在风扇设计上采用了许多新技术,考虑到结构重量的限制,发动机还采用整体叶盘结构,这样可减轻部件重量达30%。增大涡轮前温度也是提高推重比的一条主要途径。通过采用单晶材料、定向结晶材料、隔热涂层和复合冷却技术,新一代发动机的涡轮前温度已经达到很高水平,如F119的197OK,EJ200的180OK,而M88-2发动机尽管推重比未达到10,但其涡轮前温度却高达185OK,比最先进的第三代战斗机发动机高出近200度。而Fl19发动机的对转涡轮设计还有可能取消高、低压涡轮之间的导向器,缩短发动机长度和减轻结构重量。

紧随其后的是良好的机动能力要求发动机具有响应能力和推力矢量能力。这些发动机无一例外采用了全权限数字式电子控制系统,控制参数从上一代发动机的6-10个增加到11-20个,这有利于发动机时刻工作在最佳参数状态。增压部件的快速调节、加力燃烧室可靠工作都增大了喘振裕度,便发动机稳定工作在整个包线范围内,确保战斗机充分发挥飞行性能。由于第四代战斗机的敏捷性要求,F119发动机、AL-41F发动机分别采用了二元矢量喷管和轴对称矢量喷管,EJ200发动机的矢量喷管也在研制之中。值得一提的还有隐形能力要求发动机具有较低的雷达反射和红外辐射的特征,高可靠性要求发动机采用多种新颖结构,可维修性要求发动机具有良好的后期保障和维修能力。F119、EJ200、M88、AL-4lF在这些方面都有不俗的表现。

EJ200发动机

M88-2发动机

文章来源: 爱问客

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