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大飞机国产“心脏”,已在路上(原创.国产大飞机系列(6)) 精选

已有 4806 次阅读 2019-2-21 10:36 |系统分类:科普集锦

一提到航空领域中国和世界最先进国家的差距,相信大多数读者都会不约而同地想到发动机。由于历史原因,中国的航空发动机和美、俄、英、法等国还有巨大差距,但近些年来,涡扇-10“太行”、WS-15“峨眉”和WS-18等几款大推力军用涡扇发动机相继成功装机,以及WS-20、CJ-1000等大涵道比涡扇发动机不断取得巨大进展,说明中国大飞机国产“心脏”的研发已经快马加鞭,渐行渐近。

 1)大推力军用涡扇发动机已迈上新台阶

l  WS-10涡扇发动机性能趋于成熟

2006年2月,中国航空报刊登了一则“我国首台有自主知识产权大推力军用涡扇发动机“太行”发动机定型的消息”,消息传来,国人欢呼雀跃,欢欣鼓舞。涡扇-10系列发动机,简称WS-10,代号“太行”,是由中国航发沈阳发动机研究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军用涡轮风扇发动机。

上世纪80年代初期,一批在70年代上马的歼-9、歼-13、强-6、大型运输机等项目纷纷下马,导致配套研发的涡扇-6系列发动机因无装配对象被迫下马,使得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。面对严峻局面,中国于上世纪80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“太行”系列发动机。

80年代初期,中国引进了一批大推力商用涡扇发动CFM56,这种发动机的核心机是美国的F101,而F101核心机后来衍生出了F110大推力军用涡扇发动机。该发动机性能高、可靠性好、寿命长、使用维护成本低、研制风险小,成为当时美国航发巨头通用电气公司最为优秀的产品之一。

1986年,为了配合国产歼-10战斗机的研制,以CFM56核心机改进发展一款大推力涡扇发动机配装歼-10战斗机的规划正式立项。1987年,计划开始进入验证机研制阶段,1993年完成。之后开始发动机型号研制,考虑将其作为歼-11(国产苏-27)和歼-10两种战机的通用动力,并申请了一架苏-27战机作为试飞平台。2000年10月,“太行”发动机开始高空台试验。2002年6月装单台“太行”发动机的苏-27进行了首飞,取得阶段性成果,2003年-2004年,装WS-10A发动机的歼-11A及歼-10战斗机先后成功完成了试飞。2005年5月,发动机开始定型持久试车,2005年年底完成定型审查考核。

此后,经过10余年的不断装机试飞与改进,2017年9月19日,一架使用两台国产“太行”改进型WS-10B发动机的歼-20成功进行了首次飞行,表现令人满意。

2018年11月6日,珠海航展上,加装了全向推力矢量WS-10B发动机的国产歼-10B飞机接连做出“眼镜蛇”、“J-翻滚”、“落叶飘”等大机动高难度动作,令人震撼,观众大呼过瘾。歼-10B在珠海航展上的超机动完美飞行表现,说明WS-10B在改进上再次取得了重大突破,“太行”发动机的性能已经趋于成熟。

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“太行”(左)与“峨眉”(右)发动机

l  WS-15“峨眉”涡扇发动机呼之欲出

涡扇-15(WS-15),即“峨眉”涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机,主要用于装备我国最新一代双发重型隐身战斗机歼-20。

1992年春天,中俄开始展开艰苦谈判,经过了3年的“拉锯战”。当时,俄罗斯经济状况窘迫,军工科研经费少,加上1992年其雅克-141飞机计划终止, 俄方的P-79发动机没有了使用对象,于是,1995年6月俄罗斯向中方签订了转让P-79发动机生产许可证的协定。1996年8月,中国方面得到了俄方P-79发动机的全套设计图纸及技术资料,引进了制造P-79发动机核心机的生产设备及生产制造工艺资料。

P-79发动机属于20吨推力级别的涡扇发动机。在取得该发动机设计方案、设计图纸和技术资料后, 中国突破了百余项关键技术,最终研制出了一款涡扇发动机,该发动机代号涡扇-15(WS-15)。2000年初,WS-15正式被选定为新一代战斗机的动力装置,命名为“峨眉”。

在战斗机用的大推力加力式涡扇发动机方面,最牛的是普惠公司,其为F-22研制的F119发动机最大加力推力15.6吨,为F-35战斗机研制的F135发动机最大加力推力19吨,最新的增推型F-35GO1最大加力推力达21吨左右。WS-15整机推重比达到10一级,最大加力推力在16-18吨之间,采用了第三代单晶涡轮叶片材料、三元推力矢量喷口、双余度全权限数字电子控制系统(FADEC)等一系列先进技术。总体来看,WS-15性能上略逊美国上世纪八十年代的航空发动机技术,基本追平了俄罗斯的发动机。

WS-15发动机的研制全面贯彻了我国新国军标GJB241-87《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范和全面贯彻发动机结构完整性大纲》,是我国首次遵循“基础研究-关键技术突破-先进部件-核心机-验证机-型号研制”这一发展模式所开展的涡扇发动机研制工作,具有里程碑式的意义。

“峨眉”航空发动机全面研制工作始于2000年初,技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功,这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上实现了历史性跨越,在发展我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的一步。2011年中航黎明完成了WS-15验证机的交付,2013年3月发动机完成设计定型试验,2014年7月生产型发动机定型。有消息显示,目前该发动机已在歼-20上频繁装机试飞。

l  WS-18涡扇发动机

涡扇-18发动机,即WS-18型航空发动机,被许多人视为中国航空发动机的又一里程碑,对我国军机,尤其是大型运输机和轰炸机摆脱多年来的"心脏病"有巨大作用。

2015年1月9日,中航工业成都发动机公司官网刊登了一篇名为《公司某型号发动机研制试飞圆满完成》文章,描述了该公司在2014年12月6日成功试飞某型发动机的消息,而这里的某型发动机被外界一直认为是涡扇-18(WS-18)发动机。

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《公司某型号发动机研制试飞圆满完成》文章配图

涡扇-18(WS-18)发动机仿制于俄罗斯D-30KP-2发动机。D-30KP-2是俄罗斯索洛维耶夫设计局研制的涡轮风扇发动机,其最大推力为12.5吨,涵道比2.42:1,翻修寿命3000小时。D-30KP是前苏联时期研制的第一种大涵道比高性能涡轮风扇发动机,特点是推力大、耗油率低、性能可靠。目前,中国空军伊尔-76运输机和轰-6K型轰炸机装备的均是俄制D-30KP-2型发动机。

WS-18各方面的性能和CFM56相近,重量为2吨,而伊尔-76采用的D-30KP的重量为2.3吨,前者的耗油量比后者要低20%。这样,在载油量不变的情况下,国产军用大型运输机的航程显然要比伊尔-76更大。或者在相同的航程情况下,运载量比其更多。WS-18发动机单台推力11.7吨,带有蚌壳式反推力装置。

目前我国大型运输机运-20配套的发动机涡扇-20(WS-20)尚在研发中,故一但涡扇-18发动机研制成功之后,可装配早期的运-20,使得中国远程投送力量进一步增强,还可替换现役伊尔-76战略运输机的D-30KP-2发动机,使关键的担任战略投送任务的运输机的"心脏"不再受制于人。

中国现在自行生产的WS-18大涵道涡扇发动机说到底其实就是D-30-KP2的中国版本,不过得益于中国在材料技术上的优势,使得国产WS-18发动机性能上要优于俄罗斯原版发动机大约6%到9%,这点提升可使轰-6K飞机最大航程增加200公里,油耗也会降低。最为关键是发动机全部中国自行生产,摆脱了被他人“卡脖子”的局面。

l  国产新型WS-20发动机

国产首款大型运输机运-20目前已交付中国空军,它的列装有力提高中国空军的空运能力,增强人民解放军的战略/战役投送能力。

不过从媒体相关图片来看,运-20目前配备的还是俄制D-30KP-2(或是国产化的WS-18)涡扇发动机,这款发动机的性能仍差强人意,未能将运-20优秀的设计性能充分发挥出来。不过中国相关单位已经在研制新型涡扇发动机,将会弥补运-20的动力短板。

D-30KP-2毕竟是苏联上世纪70年代研制的一型中涵道比的涡扇发动机,它的直径仍不够“粗犷”。对于加装在亚音速飞机上的涡扇发动机来说,压气风扇直径越大,涵道比越大,效率越高,推力越大,油耗越低,噪声越小。

耗油率是发动机的一个非常重要的指标,它决定着运输机/客机航程、载重等方面的性能。从这个角度来讲,D-30KP-2/WS-18只解决了中国大型运输机发动机的有无问题,运-20仍急需更先进的大涵道比涡扇发动机。

目前中国正在研制的新一代大涵道比军用涡扇发动机编号为WS-20。WS-20采用了改进的FWS-10核心机(即WS-10核心机改进型),加上国产的大涵道比风扇,同时对高压涡轮、低压涡轮、风扇/增压级进行重新优化设计,另外还采用了全权限数字式电子控制系统,显著提高了发动机的性能和可靠性。行业内普遍预测,WS-20的综合性能渴望达到CFM-56的水平,且明显优于D-30KP-2发动机。

根据CFM-56的指标,涡扇20与D-30KP/WS-18相比,重量和发动机巡航油耗都有望下降,发动机巡航油耗方面,CFM-56是0.57,而D-30KP-2/涡扇18超过0.7。因此,对于运-20来说,若换装WS-20,由于发动机性能提高,其航程和载荷可以得到明显提升,尤其需要指出的是,目前CFM-56较新型号的最大起飞推力已经可以达到15吨。

2016年6月15日,互联网媒体曝光了一张某机场的卫星图片,图片显示一架安装有4台WS-20发动机的我国伊尔-76试验机停放在机场上。一架运输机可以安装4台正在试制中的新型发动机,这说明,中国涡扇-20发动机已经取得了重大突破进展,未来装机运-20已经为时不远。

WS-20发动机是推力在13-16吨的大涵道比发动机。目前研发用于运-20,今后也可以作为国产民航客机C919的备选发动机。若WS-20发动机研发成功,中国大飞机(包括运-20,甚至C919)发动机进口国外的历史将有望成功画上句号。

 

综上所述,涡扇-10“太行”的成功,使得中国航空动力事业达到了发达国家九十年代中期水平,在中国航空发动机发展史上具有里程碑式的重要意义。而作为新一代的大推力军用涡扇发动机,WS-15、WS-18、WS-20也正处于小批量生产(或预生产)前的试飞阶段。这几款军用涡扇发动机为我国大推力商用涡扇发动机的研发积累了宝贵的技术经验,标志着中国主流航空发动机已全面迈上了一个新的台阶。

 2)大涵道比CJ-1000已取得重大进展

除了WS-20,中国目前还在研制更加先进的大涵道比涡扇发动机—CJ-1000。从CJ-1000发动机对外公布的推力数据来看,13-16吨级的发动机属于150-200座级客机的动力,而中航商飞正在研制这个级别的C919客机。

目前,C919客机采用的是赛峰公司LEAP-1C涡扇发动机,为了避免受制于人,中国航发商用航空发动机有限责任公司(简称:中国航发商发)已经启动了针对C919飞机的国产发动机研制工作,这就是国产CJ-1000大涵道比涡扇发动机。现在CJ-1000已完成了首台整机装配、核心机试运转,以及点火试验,预计将会在2020年以后投入使用。

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加装了LEAP-1C的国产C919客机

根据中国航发商发的资料,CJ-1000发动机是一型双轴大涵道比直驱涡扇发动机,由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、单环形燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成。CJ1000A采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺,具有高效率、低燃油消耗,低排放、低噪音,高可靠性、长使用寿命,低维护成本、良好的维修性等产品特性,整体技术指标达到或者接近LEAP-1C的水平,优于现在使用的CMF-56涡扇发动机,也优于WS-20发动机。

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CJ1000A涡扇发动机模型

 

作为C919大客飞机的主要竞争对手,空客新一代A320NEO客机的主要改进之一,就是使用LEAP-1X发动机替换CFM-56发动机。在推力相当的情况下,LEAP-1X的巡航油耗比CFM-56系列要低于10%以上。这样对于一款客机来说,换装新型发动机后,航程和油耗必定会有较大的改善。有人估计,A320NEO的油耗比改进前的A320下降15%以上。

CJ-1000A大涵道比涡扇发动机对于中国发展大飞机意义非凡。它未来不仅可以取代LEAP-1C,成为国产C919的动力。同时,也可同WS-20一起,作为未来运-20的双重备选动力,以全面取代目前运-20装机的D-30KP-2发动机。注意:新一代的CJ-1000大涵道比涡扇发动机比WS-20性能更佳,故也可以替代WS-20,从而提高运-20的性能,尤其是关键的载荷和航程等方面的性能。

3)新一代CJ-2000发动机已经布局

目前,中国首台完全自主设计的商用航空发动机,即装配国产大飞机C919的首台“长江1000(CJ-1000A)”发动机已经完成总装下线,并成功点火,而装配CR929的“长江2000(CJ-2000)”发动机也正在布局。

笔者曾在“CR929客机,中国为何要与俄罗斯合作(原创.国产大飞机系列(3))”中说到,在中俄发动机未研发成功之前,CR929将暂时用欧美的发动机,而“俄方主研PD-35涡扇发动机,中方参与”是一种可选方案。尽管如此,依靠国外的发动机来发展自己的大飞机毕竟不是长久之计。因此,早在中俄商飞成立之前的几年里,中国航发商发就已响应国家重大专项的要求,自主启动了与CR929相应的发动机“CJ-2000”,目前该发动机正在进行大部件、大单元体的试制和试验。

中国航发商发成立于2009年1月,是由中国航空工业集团公司主导的合资股份企业,隶属于中国航空发动机集团,总部位于上海,注册资本高达60亿元,主要从事商用飞机动力装置及其相关产品的设计、研制、生产、总装、试验、销售、维修、服务、技术开发和技术咨询等业务。公司下设研发中心、总装试车中心、大修中心、客户服务中心。

据中国航发商发官方网站介绍,该公司以“提供商用大涵道比涡扇发动机系列产品及相应服务”为使命,以“成为商用航空发动机全球主制造商之一”为愿景,秉承“责任、包容、开放、共赢”的价值观,构建商用航空发动机的总体集成与产品取证能力、供应链全面管控能力、市场营销与客户服务能力、产业市场化整合资源能力、产业国际化运作管理能力五大核心能力,打造强劲“中国心”,助推“中国梦”。

CJ-1000是我国第一款商用航空发动机产品,是目前装配国产大飞机C919的惟一国产动力,在当前质疑我国航发的形势下,其研制成功可谓意义重大,将直接填补我国大推力航发技术类型的空白。CJ-1000航发虽然能够满足我国大型飞机C919,但人不能满足下一代宽体客机CR929动力的需要。而CJ-2000航发的推力将达35吨以上,完全能满足CR929及下一代大型国产运输机的需要。可以说,航发CJ-2000批量生产之际,就是我国大推力航空发动机独立于世界发动机界之时。

值得一提的是,2018珠海航展上,中国航发展台首次展出一台名为“AEF3500”的大涵道比大推力商用涡扇发动机模型。据说就是CJ-2000,即未来CR929的国产发动机,也是以后未来中国下一代战略运输机的标配。“AEF3500”中的“AE”代表中国航发,“F”代表涡轮风扇,后面的数字3500指的是推力,即推力35吨。

不管CJ-1000,还是后续的CJ-2000项目,都属于近几年来国家精心培育的重点工程项目,充分体现了中国发展大飞机、发展大推力航发的坚定决心,已上升到了国家意志层面。发展大推力涡扇发动机,不仅是为国家争气,也是为满足当前我国大飞机制造的需求。

总而言之,中国只有掌握大推力航空发动机技术,才能手握航空强国俱乐部的“入场券”,才能真正打造自己的大国重器—国产大飞机。


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