涡喷的落幕,涡扇的诞生 苏俄第三代主要涡喷/涡扇及杂谈

 闲谈:

        相比于前面两代,第三代航空燃气涡轮发动机的突出特点就是涡扇发动机诞生。这一代的发动机大多采用双转子结构、压比增大至14-20、发动机燃烧室也比以前的燃烧室热容强度更高,长度更短、涡轮工作叶片采用对流冷却技术,同时也在减小涡轮径向间隙、以及开始研究控制系统,研制一套可提早发现发动机故障的监控设备以及水平更高的航空材料。

        研制第三代航空发动机时也面临着许多主要问题

       1、 随着压比的增大,压气机气动稳定性损失也增加。CIAM开始对发动机气动稳定性问题开展实验研究。后来分析表明主要原因在于进气道的总压损失大于圆筒通道内扰流板的总压损失,使得进气道的低压压气机可用稳定裕度下降很多。CIAM随后在对第三代发动机压气机实验结果分析后,对产生发动机前气流不均匀度的试车台进口装置制订了一系列通用要求。

        2、涡轮发展的主要方向之一就是涡轮进口温度升高,而第三代涡轮进口温度达到1300到1450k(1026.85度到1176.85度),只有研制出性能水平更高的航空材料才能保障发动机顺利投入使用。1960年起苏联开始对铸造高强耐腐蚀结构钢和铸造高强耐热合金进行研究,用于铸造航空航天产品大尺寸异形零件[新型聚合,黏合,油漆材料,胶,密封胶,防热和耐腐蚀材料,专业涂层,多功能非金属材料(辐射透过材料和辐射吸收材料)机理,精铸工艺与强化热处理工艺等]。同时VIAM开始深入研究用于燃气涡轮发动机主要零件上的马丁体类热强钢;在合金研究方面,研制出首批批量生产的苏联国产铸造热强合金ЖС6、ВЖЛ12у等,采用这些合金加工的等轴结构涡轮冷却铸造叶片的工作温度与同时期变形合金ЗИ437Б相比提高了200度;热强钛合金BT3-1,BT8,BT9,在一系列燃气涡轮发动机压气机、盘、叶片和轴中使用。同时,CIAM通过对燃烧室系统的研究工作,建立了温度场不均匀性计算方法。

        3、在试制和推广使用燃气涡轮发动机的时期(第一代至第二代)时,可靠性和寿命问题一直没有被高度重视。到了第三代时,D-30、NK-8、AL-21F面临的主要问题就是可靠性和寿命问题,提高寿命和可靠性随后成为中心课题。燃气涡轮发动机寿命主要受火焰筒、涡轮和压气机工作叶片,压气机和涡轮转子的承重支撑滚动轴承的限制。而当时限制发动机寿命和可靠性的因素如下:

对发动机与附件的性能、特性和引起各种故障的原因研究不够。因此,没有考虑发动机的实际工作条件,尤其是振动应力和热应力。

检查发动机可靠性和寿命的实验方法不完整

③缺少在飞行中检查和预测发动机状态的手段

个别零部件加工工艺规程不完善,也不稳定

后来在А.Д.什维佐夫、А.Г.伊甫琴科、H.Д.库兹涅佐夫、П.А.索罗维耶夫等人的努力下,这些复杂课题在短时间内得到顺利解决,并制定与提高发动机寿命有关的材料标准

正文:

         涡喷的最后舞台

         AL-21F:设计AL-21F的发动机目的就是使其具有与AL-7F发动机类似的性能,同时尺寸和重量要比AL-7F发动机稍有降低,最终目的是要显著降低耗油率。“联盟”机械制造设计局的R29-300具有和AL-21F相似的性能,但AL-21F具有更低的耗油率。1969年AL-21F通过增加空气流量,提高压力和涡轮进口温度等方式,使得推力增加了25%到35%,也使得所有部件都进行了较大的改动。相比于二代机,AL-21F及其改进型具有单位推力增加23%,耗油率降低17%,单位质量降低30%等优点。F型67年开始投产,其与改进型主要装备苏霍伊飞机设计局机型以及米高扬飞机设计局的产品。应用于苏-17,20,22,24和米格-23等机型改型(这里有个小故事,我在R29-300会提到)

         AL-21F及其主要改型具有14级的轴流压气机,3级轴流式喷气涡轮,环管燃烧室具有12个火焰筒,进气道利用重量轻的合金制成,加力燃烧室可以全状态控制从飞行慢车到最大加力范围内实现平稳点火和功率调节。

AL-21F3

         R13-300:在R11F2S-300的基础上,乌法发动机制造厂研制R13-300双轴加力涡喷发动机,用于装备米格-21SM,ST,MF和苏-15T,TM,UM系列。而其改型R13F-300在原有基础上安装了三个环形燃烧室的新型加力燃烧室,尾喷管可调并增加了隔热屏,这种结构可以使发动机实现“应急状态”。涡喷13则是R13-300在中国的代号,1978开始在沈阳黎明机械厂生产,用于歼八和歼七

          R13-300的低压压气机为三级轴流式;高压压气机为五级轴流式,主要为钛合金结构,转子为盘鼓式;燃烧室为环管式;高压涡轮和低压涡轮皆为一级轴流式;加力燃烧室的火焰稳定器为V型槽沿径向分布;尾喷管可收敛,多调节板可调节喷管由液压装置驱动;发动机的操控系统由状态控制盒ПУРТ-2ФТ实施。

          R15-300为了给重型战斗侦查机E-150和E-152研制涡喷发动机,“联盟”发动机设计局于20世纪50年代末研发出单转子加力式涡喷R15-300,设计本身的深度节流和寿命延长可以保证飞机有较大的航程,同时也是世界上第一台安装了电子状态调节器的发动机,1965年开始批生产,及其改型主要用于图波列夫飞机设计局以及米高扬飞机设计局的产品,如图-123“隼”和米格-25系列

        压气机为五级轴流式,钛,钢和高级镍合金结构;燃烧室为环形,18个蒸发喷嘴;涡轮为一级轴流式,实心转子叶片;起动系统为独立的燃气轮机起动机,位于附件传动机闸前面。

           R25-300:乌法发动机制造局在R13-300发动机的基础上改进,研制出了R25-300,用于米格-21bis/bisk(比斯)和苏-15比斯,使得米格-21比斯和苏-15比斯的爬升率******动性明显改善。相比于R13-300,R25-300在设计上有许多改动。提高空气流量,改进加力燃烧室,改善冷却系统,增加加力燃油流量,增加加力燃油流量,增设应急工作状态,配置双级加力燃烧室,满足高空作战的需要。其改型寿命更长,可靠性更高,但推力并未改变,用于米格-21-93飞机。

           进气装置采用铝合金进气处理机闸;低压和高压压气机分别为三级和五级轴流式;燃烧室为环管式,加力燃烧室为直流圆柱型;高压和低压涡轮皆为一级轴流式;尾喷管可调喷口

R25-300


           我其实应该在这提一下R27F2M-300,但读物内并未收录此款发动机,只提供该发动机是图申斯基“联盟”机械制造设计局(500设计局)的产品,R27为“联盟”发动机设计局(300设计局)的产品。(维基虽然由直接关键词,但不知道为什么后面会给我提供关于空客和本田的消息。百度也是只有关于配装米格23改型和一些推力,空气流量等数据和消息,并没有发展历程等介绍。因为文章主要写具有代表性的航空发动机,所以不打算写关于R27F2M-300的闲谈)

后来我找了下关于配套机米格23的词条,只有发现关于R27-300的推力为77KN,后面就是米格-23的历史了

      R29-300:图库斯基“联盟”机械制造设计局于二十世纪六十年代,以R-27F2M-300发动机为基础研制出R29-300 ,继承了大量R11F-300、R13-300和R25-300的成功经验。相比较于R-27,重量稍重长度也有所增加。最重要的区别在于前面两级压气机的直径增加了,空气流量得以提高大约20%。大的加力燃烧室也可完全由飞行员实现无级控制。后来在保持涡轮进口温度不增加的前提下增加低压压气机压比,导致压气机稳定工作性较差。对此采用机闸处理和增加压气机级数的办法来提高压气机喘震裕度,从而解决发动机工作稳定性问题。于此同时,将空气流量增加到110kg/s,推力增大到122.78千牛(最初设计推力为83.35KN,空气流量88kg/s)。其改型R29BS-300用于苏-22,R29PN装备的米格-23则没有出口,R23B-300则配装米格-23B和全部米格-27。

           进气口为环形,无进口导流叶片;压气机为五级轴流,低压机闸,转子叶片和静子叶片均采用钛合金,低压轴则采用合金钢;高压压气机为六级轴流式,高温合金,钛合金和合金钢大量采用在高压压气机部件内;燃烧室为环形,火焰筒采用高温合金板材,燃烧室套用高温合金;高压/低压涡轮均为一级轴流式,涡轮机闸材料均为ЗИ437高温合金;加力燃烧室由全内锥加力扩散器,三排V型环形循环稳定器及带全长隔热屏的加力筒体组成;喷管为简单收敛式;控制系统为机械液压式。

R29-300


之所以选这图片为做封面,其实与鹰酱有关。在美国军方代表团于1967年7月看完包括米格-23在内的12种新型战斗机,美国在“大开眼界”的同时,也不知所措。虽然在参观时表现出以往一样的“镇定”。但他们明白,这些飞机比他们在役的作战飞机性能高出不少。随后12月海军和空军分别发布了F-14和F-15的发动机项目招标书,普惠与GE随后开始了有名的“发动机战争”,普惠的噩梦之旅开始了。当然,这图并不是指我上面所讲的事,但中国航空发动机的起步,确实离不开“借鉴”毛子“买”来和自身发展起来的“老东西”

          小故事:苏联原决定AL-21F发动机装备米格32-24,但后来决定配装苏-17和苏-24,用R29B-300装备米格-23B。该决定的主要动机是为了让AL-21F处于保密状态,配装了AL-21F的米格-23不允许出口,而配装R29B-300的米格-23及改型则允许出口。(ps:兔子你当时从埃及引过来的是R29B-300)

出自大风号  翼下之风自媒体的漫画


        涡扇登上了舞台

        NK-8:在伊留申飞机设计局于1961年开始启动伊尔-62飞机的设计工作后,以期成为苏联民航飞机领头羊,库兹涅佐夫设计局则负责其动力装置的研制工作。在依托20世纪50年代末NK-6发动机的研制经验,利用其核心机技术,在三年的时间内研制出NK-8涡扇发动机。该发动机广泛采用了钛合金,采用多喷嘴燃烧室,可以保证进入到涡轮的燃气轮机的燃气气流温度场比较均匀,于1964年通过国家鉴定实验。其改型NK-8-4发动机由于在零件上采用高效的强化方法,并对发动机转子和管路采取了阻尼措施,使的NK-8-4具有很高的可靠性指标,该发动机在起飞时噪声很低,并且稳管中不冒烟,因此该发动机在国际航线上广泛使用;NK-88则作为NK-8-2U的发动机改型,采用了液态氢为燃料,在该发动机上也首次采用包括涡轮泵附件,燃料热交换-蒸发器和控制附件的燃料供给系统。在改型NK-83系列发动机上,首次采用了格栅式反推力装置,调节在尾喷管前。NK-8及其改型主要应用于图波列夫飞机设计局和库兹涅佐夫设计局的产品,经过NK-8系列发动机的不断改型、改进,使得其成为俄罗斯民航史上数量最多的批生产涡扇发动机。

         风扇为两级,压比为2.15,转速5350r/min;低压压气机为两级,与风扇在一个轴上;高压压气机为六级,压比为10.8,转速为6950r/min;燃烧室为环形,129个喷嘴;高压涡轮为单级,低压涡轮为两级;反推力为推力的45%到48%,面积固定,内外涵气流混合排出的共用喷管。

          

NK-8-2U发动机结构示意图(含进气演示)

         关于D-20P其实我应该在这里说明其是苏联研制的第一台涡扇发动机,但其意义主要体现在了D-30以其为基础发展得来。维基搜冷门发动机也是一如既往的只给了参数没给什么发展历程。但相比于只给数据连图片都没有的发动机,D-20待遇不错了。在这里也要感谢百科和维基的编写者,以及中航工业里编写航空发动机出版工程的各位,能给读者带来高质量的航空发动机读物(不过罗罗三部曲关于车的发展介绍不少,喜欢劳斯莱斯或宾利的可以买来看一些发展史)。

D-20外形图

          D-30:索洛维耶夫设计局在二十世纪六十年代为苏联双发客机研制双转子涡扇发动。在D-20P成功用于图-124后,提出D-30应提高涡轮进口温度,保持低耗油率的设计思想。后来以D-20P为基础,主要体现在增加一级跨声速和2级高压压气机 ,增加压比和流量,得到增大推力和降低油耗率,发展得来D-30。D-30改型众多,主要应用在图—、伊尔—系列客机(如图-154M和伊尔-76T)。而D-30KU/KP系列发动机主要对涡轮冷却系统和燃油控制系统进行改进,引入消声结构降低其噪声水平,满足了国际名航对噪声的要求。同时性能超过了同时期西方国家的发动机,满足也成为了苏联和俄罗斯历史上生产数量最多,使用最成功的民用客机和运输机发动机。

        以D-30KU/KP/KU-154发动机为例,压气机为双转子轴流式,低压2级高压5级;分离机闸用于分离内外涵气流,同时也是低/高压压气机转子的支承部件;燃烧室为环管式,可实现部分拆卸对火焰筒,喷嘴等零件进行检查和更换;高压涡轮为两级,导流叶片和工作叶片都采用空气冷却,而四级低压涡轮只有盘是带冷却的;反推力装置为两个外部调节片,控制系统为液压闭环自主控制系统。

D-30(在中国比较出名就是D-30改型用在了轰-6k和运-20上了)

           AL-25:在竞争雅克-40系列时,伊甫琴科设计局拿出了他们第一台研制的双转子涡扇发动机AL-25,设计目的为中短程运输机和教练机。随后在雅克-40、雅克-40k,m-15等飞机配装的其他型号发动机竞争中胜出。AL-25发动机在苏联航空制造业中,是首次通过国外飞行许可的全部飞行实验,第一台可在德国和意大利按适航标准进行航空注册的发动机。AL-25发动机气动稳定性、推进效率较高,结构简单,维修方便,经济型同样不错,寿命长,具有高可靠性(能夸的都夸了)。及其改型后来主要装备教练机(使用数量最多的教练机动力),客机和农业机,2008年后改型不再生产。在中国,1998年后k8s,k8j教练机正是用AL-25系列发动机 (以前为美国TFE731-2A),包括印度、埃及等三十个国家同样使用着AL-25及其改型。

       风扇为三级亚声速轴流式压气机,进气导流叶片为空心结构,用于引入压气机后的热空气进行防冰加温;九级亚音速轴流式压气机,进气导流叶片可调,一级低压八级高压,高压压气机为盘鼓式结构;燃烧室为环形带有12个头部的直流式环形火焰筒;尾喷管可简单收敛,内外涵道分开排气,面积不可调;高压/低压涡轮分别为单/2级轴流式;控制系统为机械液压式。

        NK-144:如果知道英法的“协和”号,就应该对苏联的“协和斯基”所配装的NK-144及其改型感兴趣。为了争夺超声速名航客机的地位,库兹涅佐夫设计局准备设计出马赫数大于2的发动机。后来在NK-8的基础上,增加了加力燃烧室,并且借鉴了NK-6的研发经验,设计出NK-144双转子加力涡扇发动机。配装四台NK-144发动机的超声速客机在1968年试飞成功,于1973年在苏联国内航线使用。但NK-144在使用过程中曾遇到一系列故障,在总设计师I.A.叶利扎罗夫的带领下,比如抛油故障(滑油从滑油箱中甩出经通风系统抛到飞机机体侧壁)问题,经过增大 端面接触封严装置的固定转动件之间的间隙,之后发动机并未再出现过此类故障。当然,装备NK-144的图-144也成为了苏联首批获得国家载客安全性适航认证的客机,累积载客3284人次,完成了55个航班的飞行。其深度改型NK-144-22则用于图-22MO。当然,NK-144也同上面NK-8一样 ,具有采用液态氢做燃料的改型NK-144VT。但该设计方案最终没有投产

图-22MO

         风扇为2级;低压压气机为三级,高压压气机为六级轴流式;燃烧室为环形;高压涡轮为单级,低压涡轮为两级;加力燃烧室为两个通道,三圈火焰稳定器,菊花形混合器(找了一下还像吧);尾喷管可调节;发动机材料采用了铸造变形钛合金和热强材料,配备了许多自动控制系统的传感器和目视观察孔。

    

 闲谈:

           苏联在20世纪60年代解决了涡轮气动热力和强度计算,涡轮试验,冷却叶片结构,新型耐高温材料等主要技术问题后,索洛维耶夫设计局,库兹涅佐夫设计局,留里卡发动机设计局等单位研制了军用和民用涡扇发动机。在苏联第三代涡喷/涡扇中,我们可以看到AL-21F等高性能涡喷发动机,也可以看到D-30,NK-144等涡扇发动机。在研制小涵道比和中涵道比的民用涡扇发动机(0.3~2),进一步发展加力式涡喷发动机。这一代中,新型的结构材料(钛、高温镍基合金等),使得涡轮进口温度普遍在1300-1450K,相比于第二代1150k-1250k,“代”与“代”之间的性能呈阶跃性提高。超声速级压气机,双转子结构,可调静子叶片,环形燃烧室和对流冷却高效率涡轮等,都是第三代航空涡喷/涡扇发动机的主要标志。由于相关书籍和链接我试了写了下,写到7400多字,所以我不打算像以前一样继续在下面备注资料来源,但最主要还是依靠彭友梅主编的《苏联/俄罗斯/乌克兰航空发动机的发展》至于之前的第一/二代专栏,我已经撤回至草稿箱重新编写(最近有一批新的关于美/英发展的书籍,前面也有很多没提到的地)。但我也是端午节假期左右继续写关于苏俄第三代航空发动机的文章,不能保证稳定更新,加之还要准备考试,或许时间并不是像海绵般想挤就挤出来了,但既然不能稳定更新我希望能保持质量。资料的收集是一大难事,上面肯定有我没提到或错误的地方,希望各位观众能够在评论区留下自己的见解和资料(推力等数据不就用了~我打算以后出配套战斗机专栏时再一并提出)。下期专栏见~

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