太行发动机(英文:Taihang Engine,别名:涡扇-10
发动机,编号:FWS-10)由中国一航沈阳发动机设计研究所研制,是中国第一台具有自主知识产权的大推力加力式涡轮风扇发动机,是解放军第四代主战飞机的配套动力装置。
20世纪80年代,为尽快赶上世界航空强国为第四代战斗机研制新一代发动机的步伐,邓小平同志批示了航空部专家关于发展
涡轮风扇发动机的联名建议信,由此拉开太行发动机的研制序幕。1987年太行发动机正式立项,1993年完成验证机研制阶段工作,此后,项目进入以配装解放军新型战斗机为目标的
原型机研制阶段。为满足涡扇发动机与解放军某型战斗机的匹配,研发团队多次更改方案,于1998年完成了配装飞机的全尺寸金属样机制造和装配工作,证明了太行发动机与飞机的匹配性。2001年,搭载太行发动机的战斗机密集进行试飞试验,2005年通过
中国航空工业第一集团公司沈阳发动机设计研究所的设计定型审查。2006年3月24日太行涡扇-10发动机正式定型。定型之后,由于频繁发生故障,并没有快速装备部队,直到2009年12月太行发动机才小批量装备部队试用,2010年后开始批量生产,大范围装备部队。
太行涡扇-10发动机的技术源头是CFM-56发动机,在此基础上,又借鉴了
俄罗斯AL-31F发动机,其加力
推力在13.5吨左右,涵道比接近0.76。发动机整体设计方案采用了“3级风扇+9级高压压气机+1级高压涡轮+2级低压涡轮”的设计,跟通用电气F110发动机一致。在设计过程中,研发团队采用了诸多新技术,如可变弯度导向叶片的跨音速气动设计、超塑成型扩散连接的进气机匣、两级低压涡轮为复合倾斜弯扭的三维气动设计等等,整体性能水平达到了国际同等先进水平。太行发动机装备的解放军空军飞机有歼-10、歼-10B、歼-11、歼-11B、歼-11D、歼-16等多个机型。
以
张恩和为首的团队研制出太行发动机,标志着中国从此跨入了第三代
航空发动机研制国家的行列、在自主研制航空发动机方面实现了从中等推力到大推力的跨越,中国航天航空事业在攀登世界科技高峰征程上也迈出了重大一步。
历史沿革
研发背景
航空工业的薄弱
20世纪50、60年代,中华人民共和国刚建立没有多久,航空工业发展较慢。航空发动机作为航空工业中的尖端产品,一直是中国航空工业的难点,中国人民解放军的战斗机长期受制于航空发动机落后这一技术“瓶颈”。在此期间,中国航空工业也在倾力发展
涡轮喷气发动机,并在
苏联РД—3М发动机的基础上发展出来了
涡喷-8发动机,用以配置
轰-6。但正当中国航空工业倾力投入研发涡轮喷气发动机时,国际上更先进、更经济、更稳定的
涡轮风扇发动机诞生了,并立即成了航空界的主流。经过反复权衡,中国决定开始发展更为先进的涡轮风扇发动机,然而,整个研发过程进展缓慢,20世纪60年代到80年代,相继发展出来了涡扇-5、涡扇-6等型号发动机,但因种种原因,未投入批量生产。
弥补与西方差距
20世纪70年代,在苏联成为中国主要威胁的背景下,中国与美国等西方国家的外交关系得到极大改善。考虑到国内科技综合水平低的现实情况,为尽快解决新型战斗机的动力问题,中国选择从
英国引进“斯贝”(SPEY)发动机进行仿制。“斯贝”
发动机根植于第二代
喷气式飞机技术,中国对此进行仿制耗费了近10年时间,待1980年“斯贝”的中国型号
涡扇9发动机仿制成功时,西方各主要国家开始为第四代战斗机研制新一代发动机。中国航空发动机发展与
发达国家的差距进一步拉大。
研发历程
太行发动机于1987年立项,先后经历了立项研制、战机适配、试飞实验、试车定型、延迟服役等多个阶段,在其立项后的第18个年头2006年完成定型,2009年小批量装备部队服役,2010年后开始批量生产,大范围装备部队。
立项研制
中国实行
改革开放后,航空发动机的发展焕发了新的生机。80年代初,航空工业部科技委在
北戴河区召开发动机专业会议,会议决定研制“昆仑”“太行”两款新型发动机,太行发动机的技术水平和等级是最高的。1986年1月,经邓小平同志批示,肯定了国内发动机专业对于发展
涡轮风扇发动机的建议,一航动力所与兄弟单位一起,开始了新一代大推力涡扇发动机太行发动机的研制。
1991年,
张恩和出任太行发动机总设计师,接过主持研制中国新一代大推力涡扇发动机的重任。
1993年,一航西航开始执行太行发动机8大部件、近550项零组件的研制生产任务。
1987年至1993年,经过6年多的研发,在原国防科工委和空军的大力支持下,一航动力所克服了多重考验,顺利完成了太行发动机验证机阶段的研制工作,并以配装解放军新型战斗机为目标转入原型机研制阶段。解放军新型战斗机为单发方案,直接用新研制的太行发动机作为新型飞机的配置动力,展开试飞实验存在很大风险,因此,太行发动机需要经过飞行平台进行试验。20世纪90年代初,中国从国外引进了一批飞机直接装备部队。为降低配装飞机的研制风险,总设计师
张恩和提出了太行发动机以国外飞机为平台的试飞方案,并组织所内技术力量进行了6个方面的可行性论证。1993年3月,一航动力所向当时的中国航空工业总公司报告,申请一架引进飞机作为飞行平台对太行发动机进行领先试飞实验。周密的论证和详细的汇报使得中央军委等上级领导对张恩和的建议有了更大的信心。
战机适配
1995年6月7日,时任中国人民解放军副
中国人民解放军总参谋长曹刚川传达了中央军委的决定,即把正在研制的太行发动机作为解放军新型
歼击机的配置发动机,同时,也作为某型飞机的后继动力。至此,太行
发动机的命运发生重大转折,正式被列为中国人民解放军空军指定歼击机的动力装置。
为贯彻落实国务院、中央军委的重大决策,将太行发动机配装被选定的飞机,必须解决一系列技术难题。从1997年开始,太行发动机进入了最艰难的研发阶段——与飞机的适配。由于飞机不能大幅度地改动,适配工作都需要对发动机本身进行调整。为了满足设计指标,研发团队三次带队到空军调研,多次更改方案。最后成功解决了加力
筒体转5度、加力点火器超限、后机匣改装、重新安排外部
管道与附件等难题。
1998年9月,在一航动力所、一航
沈阳飞机工业(集团)有限公司、一航黎明的全力配合下,太行发动机的全尺寸金属样机制造和装配工作如期完成,进一步证明了太行发动机可与飞机相匹配,为胜利研制奠定了坚实基础。
试飞实验
2001年,一架由空军拨给试飞院所用的
苏-27战斗机(也有观点认为是00批04架
歼-11)将一台AL-31F发动机改装为太行涡扇-10发动机,搭载太行涡扇-10发动机的战机,在沈飞跑道上完成了首次试飞实验。
2002年,00批13号歼-11改装两台太行发动机进行科研试飞。
2004年,太行发动机的飞行试验出现问题。7月1日,
中国航空工业集团有限公司沈阳发动机设计研究所(606所)召开定型考核大会,但在7月20日展开的考核试飞中,太行
发动机再次出现因机械故障而引起的左发突停问题,定型考核以失败告终。因此,中国不得不继续向
俄罗斯采购AL-31F/FN发动机用于
歼-10战斗机和歼-11的生产,而计划使用太行发动机的
歼-11B,其
原型机也不得不使用AL-31F发动机进行试飞工作。为了尽快查明故障原因,空军和
中国航空工业第一集团公司的专家、领导组成
故障分析组。研发团队通过分解检查发动机,查出发动机轴承收油环出现故障。一航动力所与行业内外的专家共同制定排故方案,先后完成17份故障计算、研究、分析报告。从2004年8月至12月,发动机经过了改进设计、加工零件和试验验证,并进行了排故措施验证评审,排故措施落实后,重新装配,恢复生产。
试车定型
2005年3月6日,606所再次召开了太行发动机设计定型工作动员誓师签字大会,全所人员签字誓师。11月10日,太行发动机迎来了设计定型前的最后一道难关——长久初始寿命试车,从慢车、加力再到慢车状态,发动机试车状态良好,各项参数稳定。4天之后,11月14日,太行发动机完成了型号规定的全部试验和试飞考验,拿到了飞向蓝天的通行证。同年12月28日,太行发动机顺利通过中国一航沈阳发动机设计研究所的设计定型审查。
2006年3月24日,中国推重比8的太行涡扇-10发动机正式定型。
延迟服役
太行涡扇-10发动机定型后,由于频繁发生故障,并没有快速装备部队。2007年
歼-11B完成设计定型,原计划将在01批歼-11B飞机上装备太行
发动机,但因在0004号原型机的试飞中,太行发动机再次出现了叶片断裂等严重事故,空军决定在01批飞机上继续使用俄罗斯的AL-31F发动机。
2008年,太行发动机定型三年之际,其质量仍然不稳定,进入空1师服役的歼-11B仍然装备的是AL-31F。太行发动机的质量问题严重影响了解放军空军部队的换装进程。同年,歼-11B0004号原型机的进气道复合材料调节板在试飞中出现事故,使得歼-11B飞机改装太行发动机的进程进一步被放缓。
2009年,太行发动机仍然处于排除故障阶段。同年年初,网络上流传出来的照片显示,一部分已经生产出来的歼-11B和
歼-11BS飞机,因无发动机可用而停在
沈阳飞机工业(集团)有限公司停机坪上,这一令人尴尬的现象直到2011年左右才彻底消失。
装备历程
2009年12月,网络上出现了一张换发太行发动机
歼-11B飞行的照片,标志着太行发动机的故障排除工作取得了成效,太行发动机已经可以小批量装备部队试用。
2010年初,首批换装太行发动机的歼-11B开始装备沈空
航空兵某
歼击机团。同年5月,使用太行涡扇-10发动机完成试验试飞工作的歼-11BS完成设计定型,投入批量生产,装备部队。
2011年11月,使用太行涡扇-10系列发动机的
歼-16重型战斗轰炸机顺利完成了首飞。
在太行发动机设计定型后的第六年,随着厂家根据部队实际训练要求所做的改进和部队使用维护经验的增加,解放军更多新机型也能够放心地用“中国心”去飞。
截至2015年底,沈阳410厂大约已向海军、空军交付400余台太行涡扇-10
发动机,被用于歼-11B、歼-11D、歼-16等机型,装备了不少于5个航空团。
结构设计
总体结构设计
太行涡扇-10发动机的技术源头是,以
通用电气F101的核心机为基础研制的民用发动机——CFM-56发动机。在此基础上,又借鉴了
俄罗斯AL-31F的控制技术。太行涡扇-10发动机采用了“3级风扇+9级高压压气机+1级高压涡轮+2级低压涡轮”的设计方案,跟F110一致。发动机采用五个支点支承,全机有三个主要的承力框架,分别是进气机匣、中介机匣和涡轮后机匣,中介机匣的制造首次采用钛合金整体铸造工艺,机厘上布置了安装节和齿轮箱等安装点。而在进气机匣上首次采用了超塑成型扩散连接带可变弯度导向叶片,使得进气机匣的重量只有34.5公斤,有效降低发动机的整体重量,这对于提高飞机的性能具有重要意义。
太行发动机采用了带进气可变弯度导向叶片的三级风扇,多级静子可调的压气机,带有复合冷却技术叶片的高压涡轮,弯-扭组合气动设计的低压涡轮,平行进气、分区分压供油的加力燃烧室,全程无级可调收敛——扩散式喷口,以及高、低压转子转向相反的设计。太行涡扇-10发动机的高温升主燃烧室的结构紧凑, 燃烧效率高,分布品质好。对比俄罗斯的AL-31FN-M1发动机,两者的加力推力都在13.5吨左右,不过太行发动机的涵道比更高,大约接近美国F-110发动机0.76的涵道比,而俄罗斯的AL-31FN-M1发动机的涵道比只有不到0.6。太行发动机的燃调系统在设计上充分借鉴了国外的控制设计经验,采用机械液压-模拟电子混合式,确保了发动机在飞行包线内运转的稳定可靠和迅速准确。
子系统设计
风扇
太行发动机采用了全新研制的三级高性能风扇,在
原型机严格的设计要求下,其风扇压比要比原型机高,同时必须要保持原型机的大喘振裕度和高效率。研发团队为了解决喘振裕度问题一共设计了8套方案,在大量实验之下,太行发动机的定型方案的喘振裕度达到了AL-31四级风扇的水平。
风扇的主要制作材料是
TC4(TC4),钛合金可提高太行发动机涡扇叶片的耐高温能力,允许提高发动机进气口温度,增加发动机推力。钛合金的密度相较于基耐高温合金更低,可以大大减轻发动机的重量,从而极大提高了发动机的推重比。风扇首次采用了带可变弯度导向叶片、超塑成型扩散连接的进气机匣,这是中国军用发动机制造技术的全新突破。此外,太行发动机的前两级风扇上,还首次采用了一种具有等强度、低损失、流线型型面阻尼凸肩的结构设计,这种变厚度设计优于等厚度的凸肩设计。
606所研制的空心风扇叶片,借鉴了国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用复合气冷空心涡轮叶片。
外涵机匣
发动机外涵机匣的材料,经历了从钛合金化铣到
复合材料的一个过程。太行发动机的外涵机匣使用的是具有四代机特征的复合材料,这是国外第四代发动机技术在中国航空发动机上的第一次应用。这种机匣的成本相较于传统钛机匣降低28%,重量可减轻23%,同时强度和
刚度更高,疲劳寿命更长,更耐腐蚀。机匣主体机构分为两段,前机匣为两半对称形,两端还有钛合金安装边,后段则是较为先进的全复合材料带翻边的整体结构。太行发动机外涵机匣复合材料的研制工作始于1995年,当时北京航空材料研究所在设计中,采用了新研制的
碳纤维增强热固性
聚酰亚胺树脂基复材。
压气机
太行发动机的高压压气机从CFM56的高压压气机中迁移而来,这种压气机本身直接来源于是F110发动机,可靠度较高,但太行发动机总压比大于32,导致压气机出口处温度过高,发动机要达到理想的性能,要比同类F100和AL-31这样的发动机涡轮前温度高50-70度。压气机主要用材有TC4钛合金、GH4169镍基合金等。
燃烧室
太行发动机的主燃烧室由机匣、环形火焰筒、燃油空气雾化装置等系统组成。由于发动机的总增压比高,燃烧室进口总温达860 K(
开尔文),出口温度达1700 K(开尔文),这对火焰筒的
结构材料、冷却设计带来极大的挑战。研发团队为解决这一问题,将
固溶强化型钴基
高温合金作为火焰筒的主要材料,同时,在火焰筒的内、外环,头部都设计了冷却气膜小孔,以及在火焰筒内部的壁面上气膜槽。燃烧室机匣的制作材料是GH14169合金,进口
扩压器采用了无余量整体精密铸造成型,内部有多达70片的导流叶片,经磨粒流抛光处理,真空电子束焊接工艺将机匣的各组件焊成一个整体。燃料空气雾化装置由20个双油路离心喷嘴和20个双级涡流器组成,燃油雾化性能好,在较宽的工作范围内具有很的燃烧效率。
涡轮
太行发动机的低压涡轮采用复合倾斜设计,将涡轮叶片沿轴向与径向都做成弯曲的形状,这种设计可以减少端壁面损失,提高涡轮的效率。
贵州新艺机械厂(170)承担了叶片的制造任务,克服了涡轮叶片工作温度高的难题,其生产的三联精铸复合倾斜叶片效率达到了国际水平。此外,太行发动机的高、低压涡轮采用了国际上新技术——对转结构设计。将高、低压涡轮设计成对转结构有助于提高发动机的推重比、降低耗油率并提升飞机的综合性能。
尾喷口
太行
发动机的尾喷口采用全程无级可调收敛扩散喷口设计,尚属国内首次。 同时,太行涡扇-10也有二元矢量
喷管的改进型号,二元矢量发动机尾的喷管可以使战斗机在俯仰和偏航方向偏转方向上产生垂直于飞机轴线附加
力矩,因而使飞机具有
推力矢量控制能力,大幅提升战斗机的机动能力。
电控系统
发动机的电控系统一直以来都是判断一款发动机先进与否的重要技术指标,从20世纪90年代以来,中国经过10多年的科研攻关基本解决了发动机电控系统的全部技术难题。2002年,中国一架歼-8II验证机的左
发动机上换上了FADEC(全权限数字式电子控制系统)进行试飞。虽然FADEC是针对
涡轮喷气发动机研制的,但是其技术积累为FADEC应用到
涡轮风扇发动机发动机上奠定了技术基础。在第十个五年计划末期,中国大、中
推力涡扇型FADEC系统样机已进行了地面台架试验,2010年FADEC系统装上了太行发动机进行了试飞。
FADEC系统由感受
航空发动机工作状态和环境信息的
传感器子系统、对信息进行逻辑判断和控制运算的控制
计算机子系统、把计算结果施加给航空发动机的控制装置,以及在它们之间传递信息的机械、
电缆和
管道等组成。控制计算机子系统根据发动机工作过程的转速、温度、压力等参数和飞机飞行高度、速度,发动机进口温度、驾驶员指令等外部条件,以及控制系统内部条件,如温度、压力、位移等的变化,通过控制律计算,产生控制信号,经过电子控制器输出处理电路,输出给液压机械装置,将电信号转换为液压信号,驱动相应作动器,以改变燃油流量、
导叶角度、放气开度等,进而来控制发动机运转。
FADEC系统应用到太行发动机上,可以从发动机上的传感器中获取数据,对发动机进行一系列的复杂控制,如改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障等等,大大提高飞机的飞行性能。
性能参数
系列型号
依据装备对象的不同,太行涡扇-10系列发动机先后的型号有,涡扇-10、涡扇-10A、涡扇-10B、涡扇-10C、涡扇-10D等型号。
涡扇-10A:太行涡扇-10A
发动机是涡扇-10的发展型号,主要装备于歼-11B战斗机。涡扇-10A最大加力推力接近13.5吨,中间推力接近8.6吨。涡扇-10A发动机核心机技术,是法国CFM56核心机技术与俄罗斯AL-31F的核心机技术相结合的产物。涡扇-10A发动机的整体性能接近美国F110-GE-129IPE发动机。
二元
矢量版太行发动机:2022年
中国国际航空航天博览会上,一款带二元矢量
喷管的太行发动机在展台公开亮相,引发热议。二元矢量喷管被认为是
第五代战斗机的重要特征之一,相对于三元矢量发动机,二元矢量
发动机的特点是隐身性能更好,可提高战斗机尾部的隐身性能,
美国军队F-22战斗机所配置的
F119发动机就采用了二元矢量喷管设计。军事专家张学峰认为,从中国公开展示采用三元矢量发动机的
歼-10战斗机,到展示二元矢量发动机,表明中国矢量发动机技术取得了进步,正在探索不同方案,根据自身需求进行选择。
总设计师
中国航空工业第一集团公司沈阳发动机设计研究所(一航动力所)为“太行”发动机总设计师单位,一航黎明、一航西航等单位为主承制单位,太行发动机的总设计师是
张恩和。
张恩和于1964年毕业于
哈尔滨工业大学发动机设计专业,毕业后于中国航发动力所从事
航空发动机设计工作。20世纪60年代到70年代末,张恩和在发动机总体室担任结构组组长,先后参与了多个发动机型号的总体设计。1987年,张恩和担任太行发动机行政副总指挥,1991年底任太行发动机总设计师。在张恩和的组织下,太行发动机研制攻克多项重大关键技术,突破了
涡轮风扇发动机高低压部件、主机和加力、整机和系统的匹配技术。
张恩和于2006年被授予中国“杰出专业技术人才”称号,荣获中国“
国际劳动节”劳动奖章。2007年,太行发动机这一技术成果获国防科工委科技进步
特等奖,2009年,太行发动机获得国家科技进步特等奖。
总体评价
太行
发动机总设计师张恩和表示,
太行山发动机瞄准国际航空发动机先进技术和高性能核心机,在中国自主研制先进航空发动机的道路上实现了历史性的跨跃,实现了由中等
推力发动机到大推力发动机的跨越、实现了由第二代发动机到第三代发动机的跨越。这为
中航集团发动机自主发展道路以及实现中国第四代战斗机动力装置,提供了保障,解决了长期困扰中国航空技术发展的发动机“瓶颈”问题,对加速解放军航空武器装备跨越式发展具有十分重要的意义。
中国航空发动机领域知名专家
陈懋章院士表示,太行发动机推重比达到8,已处于世界先进水平。虽然与
美国F119发动机还存在一定差距,但是发动机的研制是一个不断改进的过程,其从设计定型到成熟都需要十几二十年甚至更长,太行正在稳步前进。
《
新华网》认为,中国航空发动机的发展经历了一个路蓝缕的过程,在涡喷、
涡轮风扇发动机研制陷入技术瓶颈之际,太行涡扇-10研发成功,让中国有了第一个具有自主
知识产权的高性能、大推力、加力式涡轮风扇发动机,填补了国产先进涡扇发动机的空白。