国产航发赶上世界第一?太行变循环发动机或完成试验

就是一个航空叶轮机零件、部件试验及其试验技术研究、试验设备设计的专业科室,它把涡喷发动机超声速性能和涡扇发动机的亚声速性能综合到一台发动机上,为什么涡扇-15发动机研制如此困难呢

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  中航工业涡轮院科技展览馆,那一个个状似桨叶的叶片和由叶片组成的一台台风扇、压气机、涡轮,在向人们诉说着我国自主发展航空动力、突破关键技术的成果。还有,基于这类航空叶轮机技术衍生的系列射流风机,反映了涡轮院“寓军于民”的发展战略。

与人们想象的不同,传统的涡轮和涡扇发动机只具有相对固定的热力循环,在某个有限的飞行范围内具有相对良好的性能指标。例如涡轮喷气发动机结构相对简单,涵道比较小,它的优势是大马赫数飞行时耗油率低,单位推力大,超声速性能好,劣势是亚声速耗油量大;而涡轮风扇发动机涵道比较大,在亚声速飞行时空气流量大、排气速度低,所以推进效率高、耗油率低、噪声低,具有很好的亚声速飞行性能,但超声速飞行时耗油量大。现代空战的发展需要未来作战飞机在宽广的工作范围和亚音速、超音速这两种飞行状态下都必须保持良好的作战性能,同时又在加速、爬升或超声速巡航状态,航空发动机能够提供足够的推力。

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  这些成果和产品,与该院叶轮机试验研究室员工的攻坚风采、市场理念紧紧地联系在了一起。这个研究室,就是一个航空叶轮机零件、部件试验及其试验技术研究、试验设备设计的专业科室,同时又是院里一个民品研发主力单位。

然而在这些亚声速和超声速的混合飞行任务中,传统的涡喷发动机或者涡扇发动机都很难在所有飞行状态下均保持良好的性能指标,同时兼顾亚声速和超声速飞行要求,因此不得不在设计中对重要的设计参数选取进行折衷。这既加大了航空发动机的研制难度,又不利于发挥发动机应有的潜能。例如美国研制生产的F119小涵道比涡扇发动机具有不开加力状态下的超音速巡航能力,但付出了在此工作状态下耗油量明显偏大的代价。并且由于研制难度极大,在F119发动机成功装备美军二十多年后的今天,仍然没有一个国家装备同类型的涡扇发动机。

  近日,航发副总经理王之林到我国航发动力所检查重点型号研制工作,王之林在动力所现场察看了重点型号试车过程,详细了解了试车现场工作流程、异常情况处置、问题记录与反馈等现场管理工作情况,并与技术人员进行面对面交流。他指出,要加强试验现场管理,提升可视化管理水平,有效提高工作效率;同时从工作流程上推进融合;要坚守当前目标不动摇,不断提升技术成熟度,坚定不移完成型号任务;要做到试车任务均衡开展,加强管理、制定措施,确保试车任务顺利完成。军事专家雷泽告诉记者,根据动力所研制工作和我国各型号发动机型号发展的规律,这个接受视察的重点型号不可能是涡扇-10B或其发展型,因为该机已经上歼-10C和歼-20战机上试飞。

  一个勇于担当、创造“第一”的团队。

变循环发动机有可能是解决这一难题的最佳选择。据国内外公开资料介绍,变循环发动机是一种具有优秀综合性能的推进系统,它把涡喷发动机超声速性能和涡扇发动机的亚声速性能综合到一台发动机上,通过多个部件/机构的几何调节来实现不同工作模式的转换,扩大了涵道比变化范围。F119发动机的竞争对手:已正式定型但未装备部队的,推重比10一级的F120发动机就采用了这种变循环概念,它也是迄今为止唯一经过飞行试验的变循环发动机。目前,美、英等国依托先进航空发动机技术预研计划,在继续开展更为深入的变循环发动机技术研究工作。有消息表明,美军下一代战斗机用航空发动机的两个选型方案:GE通用电气公司(F120发动机的研制者)研制的XA100和普惠公司(F119和F135发动机的研制者)研制的XA101
均采用了变循环技术。

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  航空叶轮机,就是涡喷、涡扇航空发动机中的旋转部件。这些部件相互匹配,形成工作循环,使空气和燃气能量转化为牵引、推进飞行器的推动力。室自组建40多年以来,开创了我国航空科研领域的多个“第一”。第一个突破和掌握其试验技术,成功用于并完成我国首台中推涡扇发动机用七级高压压气机试验验证。在平面叶栅性能试验方面与德国宇航院合作,成为国内第一个在航空动力科研行业与西方同行竞技,并在该领域赚到第一笔外汇的单位。第一次攻克对转涡轮试验技术,成功完成国内首次全尺寸对转涡轮性能试验;自主设计与在建国内第一台超大功率加温加压压气机试验器,为追赶世界先进压气机试验技术奠定坚实基础。

而据国内某家权威媒体在2018年发表的公开文章称,曾研制成功“昆仑”涡喷发动机、”太行”涡扇发动机的沈阳发动机研究所在自适应变循环航空发动机取得了重大了突破,已完成变循环特有的关键技术整机验证。近日,国内某专业媒体首次公开披露了国产变循环发动机验证机的简况,为我们初步揭开了其神秘“面纱”。该文称,为了开展变循环发动机关键技术的研究,在我国研制的某常规发动机的基础上,增加了部分变循环特征部件,搭建了一个变循环发动机技术验证平台。与先前猜想的不同的是,由于国内对变循环发动机的研究起步较晚,因此并没有采用与美国第五代变循环发动机AETD项目相同的三外涵变循环发动机方案,而是采用了和F120发动机相同的带核心机驱动风扇级(Core
Driven Fan Stage,CDFS)的双涵道变循环发动方案。

  当然也更不可能是运20的涡扇-20发动机,因为该发动机也即将从伊尔76飞行台登上运20飞机,一些外媒刊登的照片中,西安阎良航空城运20试飞场近期出现两架没有安装发动机运20飞机,应该是正在等待安装涡扇-20发动机。军事专家告诉记者,通过比对,我们发现这个重点型号就是涡扇-15原型机试车,作为歼20发动机的配套发动机项目,涡扇-15代表了我国军用大推力发动机的最高水平,同时也是我国发展航空发动机领域最艰难的型号项目,涡扇-15大量采用了一系列新技术,自2006年核心机立项研制以来,到2011年验证机交付,再到2016年工程验证机地面试车试验完成,以及后来的原型机立项研制,已经经历了12个年,其中涡扇-15发动机在核心机阶段出现的各种问题、江油基地地面高空台试车发现振动问题,都一一解决,但四代机动力的研制难度由此可见一斑。为什么涡扇-15发动机研制如此困难呢?

  室里组成攻关团队,针对某重点型号压气机试验表现出来的喘振裕度不足问题,开展技术攻关,找出了试验设备局部缺陷影响压气机试验结果的原因。通过对设备相关系统的改进设计和试验验证,解决了压气机试验喘振裕度不达标的技术难题。在长期科研试验过程中,相继填补了级间流场测试技术、压力畸变试验技术和钛火试验技术等多项国内研究空白,多次荣获部级科技成果奖。

该变循环发动机的关键部件:核心机驱动风扇由某现有高压压气机的第1级设计修改而来,与后面的多级高压压气机共同组成压缩系统,用于由现有发动机发展得到的变循环技术验证平台。在该压缩系统中,CDFS
为单级,由进口可调导叶、转子、静子3排叶片组成,高压压气机为8级,无进口导叶。由于我国现役自行研制生产的的”太行”涡扇发动机为9级高压压气机,另一种涡扇型号:”秦岭”涡扇发动机的高压级为12级,因此该变循环技术验证平台很可能是在”太行”涡扇发动机上改进而来。

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