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u.s.navy的网易博客

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“阵风”之心--法国M88涡轮风扇发动机  

2010-06-01 12:36:08|  分类: 装备科技H |  标签: |举报 |字号 订阅

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自从“幻影”F1战机与M53发动机的组合在“欧洲四国战斗机”项目选型中惨败于F—16后,不甘失败的法国人又回到了熟悉并且适合自身技术水平的无尾三角布局上,推出了“幻影”2000,其“搭档”依旧是M53。虽然该机与F—16之间的性能差距有所缩小,但无奈推出时间上的滞后使得“幻影”2000占有的国际市场份额与后者相比小得可怜,而且在价格和性能上也无法占优。为此,达索公司决定跳出单发中性战斗机这个圈子,向更大、更强、利润更高的双发战斗机领域进军。在“幻影”4000双发重型战斗机上验证了部分技术后,达索公司于1986年推出了“阵风”战机,并在当年的范堡罗航展上高调亮相。

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“阵风”A原型机起初使用F/A-18A/B装备的F404-GE-400发动机,直到1990年5月斯奈克玛公司M88发动机完成为止。该发动机与斯奈克玛公司过去开发的“阿塔”和M53系列截然不同,使得发动机不再成为制约法国战斗机性能的主要瓶颈。然而,它的身世依然扑朔迷离。

法国制造的战斗机和攻击机装备的发动机,长期以来都是单转子结构。“阿塔”系列涡喷发动机几乎一统了当时法国开发的所有战斗机、攻击机和轰炸机的动力系统,即使是“幻影”2000上的M53涡扇发动机,也有着“超级阿塔”的别称。然而,单转子结构发动机高、低压段的转速只能取一个中间值,不能取相应的优化转速,涵道比也不能过大。如果涵道比过大,其带来的后果将是加力比小而加力推力不大。

单转子结构发动机还有一个缺点,就是喘振裕度不大,所以“阿塔”和M53都靠设置放气门来增加喘振裕度。但是这样一来又会使得增压比降低,推力减少。加之法国人的压气机设计水平不高,M53的压气机级数偏偏又少,仅有3级风扇、5级高压,这就造成其推重比和单位推力都比较低。与之相比,压气机增压比同样不高的俄制RD33发动机则采用了4级风扇、9级高压的设计。不过有弊也有利,较小涵道比带来的好处是迎风面积减小,单位迎风面积推力提高,高空高马赫数下加速能力较好。配合飞机进气道的设计特点,“幻影”2000在高空高速飞行包线内相对F-16有着很明显的优势。

值得一提的是,法国透博梅卡公司和英国罗尔斯·罗伊斯公司为“美洲虎”攻击机而联合研制了“阿杜尔”涡扇发动机。其中,罗尔斯·罗伊斯公司负责研制燃烧室、高/低压涡轮、低压轴、排气锥、混合器、滑油箱等;透博梅卡公司负责其余部件,如压气机、机匣和外部传动装置、加力燃烧室喷管延伸段等。发动机部件按分工制造,然后送到两国的总装线上进行最终装配。由此可以看出,占据主导地位的是罗尔斯·罗伊斯公司。

尽管从推力和推重比上看,“阿杜尔”的性能水平不算高,但其采用了大量在当时十分先进的技术,包括:定向凝固和单晶涡轮叶片,由此可以带来更高的涡轮前温度:环形结构燃烧室:可调收扩喷管:钛合金宽弦叶片制造的高压压气机叶片以及小展弦比叶型设计。

尽管出于成本、风险以及终端平台定位的考虑,英、法两国在合作时采用的设计相对保守。也没有刻意追求减重而大量使用钛合金。但是单晶涡轮叶片的使用让法国在涡轮叶片材料上接触到了领先者的技术。法国之所以后来能够在新型号发动机上大幅度提高涡轮前温度,这次合作颇有裨益。

CFM的建立

在20世纪70年代,斯奈克玛公司为了进军民用市场,选择美国通用动力公司作为合作伙伴,准备以B—1轰炸机的F101发动机核心机作为原准机,开发商用发动机。但是,F101发动机属于战略平台的核心装备,美国政府与国防部都不批准这个合作项目。当时,普·惠公司的F100发动机已经占据了美国空军战斗机动力的统治地位,其3T3D和。ITSD等民用发动机的销售情况也是形势大好,它们在1965年世界民用发动机市场上的份额甚至高达92.4%。迫于生存压力,通用动力公司为了争取到这个翻身的机会,不仅大力游说政府高层,还提出不让斯奈克玛公司接触F101的核心技术,并按照“需要和了解”的基础交换资料。整个项目由通用动力公司负责系统一体化实施,并且民用F101发动机的核心及设计参数将降适当降低。通用动力公司还进一步建议美国国务院和商务部监督资料的交换过程,以保证其符合美国政策。

1973年5月30日,美国总统尼克松和法国总统蓬皮杜在葡萄牙亚速尔群岛进行双边高峰会议,CFM56赫然列在日程表上。在准备工作中,尼克松表示,他期待的是政治讨论,但是被“某种喷气发动机”的事项打了岔。尼克松驳回了所有反对意见,按照通用动力公司的建议批准了该项目。当日,尼克松与蓬皮杜联合宣布了此项决定。1973年6月4日,国务卿基辛格代表总统发布220号国家安全决策备忘录,批准该合作项目,但附加下列条件:

与法国政府达成关于出口发动机核心机的物理安全和技术保护的满意协议;

关于法国政府不谋求对美国进入欧盟的飞机征收新的关税。

于是,1973年9月两国恢复合作,并于1974年9月28日正式成立CFM国际公司。虽然美国政府在合作协议中对技术保密仍然持谨慎态度,但是斯奈克玛公司凭借着自己在所负责工作上的出色表现,获得了与通用动力更深程度的技术交流。同时,斯奈克玛公司使用特殊手段得到了F101发动机核心机GE9和演化型号E88的技术,M88发动机的起源可以说很大程度来源于此。

技术特点

压气机 M88-2发动机的结构为风扇3级,第一级带凸肩。高压压气机6级,采用三维设计技术,前3排整流叶片可调,在第4和第5级之间设引气口,高级负荷。相比基于类似核心设计的F404发动机,M88-2少一级高压压气机,其总压比为24.5,F404则为26,同样改进自F404的RM12也达到了27.5。由此可以看出,因为M88-2少一级高压压气机给总压比带来了不利影响,不过级数减少也能部分减轻结构重量和几何长度,适当缩小载机的发动机舱轮廓。

M88-2风扇压大约在4以内,高于F404的3.641;而高压压气机压比则为6.125,低于F404的7.14。级压比方面,M88-2为1.35,只略高于F404的1.324,更加低于RMl2。考虑到M88与F404的高压段有很大的继承性,两者性能参数上的差异表明法国在压气机设计上仍然有所不足。相比之下,F414发动机采用3级风扇、7级高压,达到30以上的总压比。EJ200发动机的总压比为26,虽然不算太高,但只用了3级风扇、5级高压结构,比同样总压比的F404减少了2级。

燃烧室 采用了低污染的双环腔带多孔气膜冷却结构,与通用动力公司同系列产品的结构与特点类似。目前,苏霍伊SSJl00支线客机已确定以M88核心机为基础,发展SAM-146大涵道中等推力发动机。M88-2燃烧室上构造的特点,显示了它身上有着无可否认的F101发动机血统。

涡轮部分 高低压涡轮均为单级结构,都使用气膜冷却,高压涡轮叶片具备主动间隙控制,叶片材料使用AMl单晶合金。由于采用了高温高负荷设计,其涡轮进口温度高达1850K。

涡轮盘采用粉末冶金制造工艺,轮盘材料试验型为Astroloy粉末冶金,生产型为N18合金。加力燃烧室为整体式,由中心单圈环形稳定器和9根径向火焰稳定器组成。尾喷管为引射式,喉部面积和引射喷口面积均可调,喷口调节片用碳化硅基陶瓷材料制造。发动机采用双余度全权限数字化发动机控制系统(FADEC),可在3秒内从怠速加速到全加力状态,在飞行包线范围内无顾虑操作。外涵机匣则采用树脂基复合材料PMR-15制造。

全机分为21个模块设计,每个模块都能由简单工具拆装更换,达到减少备件数量、快速更换、简化维修程序和时间的目的,整机拆卸及维修总共只需4小时。

特点分析

M88发动机的涡轮前温度相当高,不仅高于同类中等推力发动机和90年代初的大推力发动机,甚至和某些下一代大推力发动机相同,如俄罗斯AL-41F。其根本原因在于M88的压气机性能不够,总压比偏低,为了保证推力只能采用较高的涡轮前温度来弥补。较高的涡轮前温度可以相对提高不加力推力和燃烧效率,降低油耗,并能提高单位推力。但一味提高涡轮前温度,将对发动机热端部件的寿命造成影响,缩短翻修间隔时间。法国自身的材料与冶金水平在西方发达国家中实力本就略显平庸,而选取的指标却高出同类产品一筹,结果M88·2El投入使用时的初始检修间隔只有150小时,验证后达到的指标也仅为500小时。直到2001开始大规模生产时,M88—2E4的初始检修间隔才达到800~1000小时,TAC循环为2000次。相比之下,80年代中后期美国空军就开始要求热段部件检修间隔达到4000次TAC循环,如F100-PW-220/229和F110-GE.129。日本自1991年开始生产的F100-IHI-220E上安装的自产单晶涡轮叶片也到了4000次TAC循环指标,而且在实际使用时有一定的温度裕度,大约在100~110度上下。因此,这些发动机都有在战时通过增加转速和供油量等方法,提高额定推力的VMAX模式,短期使用也不会对发动机造成伤害,以取得需用推力与部件耐久性、可靠性和维护成本的平衡。现今美国第三代大推力发动机的新一代改型,如F11-GE-132/134已经达到6000次TAC循环,F414的发展型EDE则大幅度提高到了6000小时(推力与使用寿命之间可以转换,通过牺牲部分寿命换取高推力),并已通过验证。

通常而言,涡轮前温度越高,总压比越大,则燃油经济性越好。但是M88-2的燃油经济性在中等推力发动机中却居于劣势,即使是燃油消耗量比M88-2E1降低了2%~4%的M88-2E4,油耗也比早年的F404-GE-400/402要高。虽然燃油经济性与涡轮效率及其他一些因素也有关联,但无疑压气机性能不足是其中的重要原因。

衡量发动机性能的两个最主要指标是单位推力、单位燃油效率以及推重比。M88-2E4的单位推力仅同F404-GE-402差不多,比起瑞典RMl2也是略有不及。和F414、EJ200相比则差距甚大。M88—2E4的推重比达到8.5,部分原因是因为其使用PMR—15热固性聚酰亚胺树脂材料制造外涵机匣,和钛合金外涵机匣相比,重量可减轻23%~30%,成本减少28%。例如F136发动机采用与F110-GE-132发动机相似的复合材料外涵机匣,重量减少了9公斤:JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMRl5树脂基复合材料,较铝合金材料减轻了26%。同时,M88的喷管鱼鳞片也采用树脂基复合材料制造。同类型号里只有F414使用这些材料,即便EJ200使用的也是化学铣切钛合金机匣。然而在这种情况下,M88—2E4的推重比依然落后EJ200,相比F404与RM12提高的也很有限。和第4代大推力发动机相比,虽然M88的涡轮前温度相差不多,但前者的推重比要求普遍在10左右,推力也远大于M88。由此可见,压气机设计水平严重制约了M88的性能指标。由于热力学循环参数同结构强度之间存在一定的均衡,在给定压气机总压比的条件下,要保证一定的推重比指标,通常采用提高涡轮前温度的办法,但这样会影响部件的寿命。要保证部件的寿命和可靠性,必须在原温度下增加涡轮强度和耐温能力,例如增加叶片厚度,不仅费用激增,发动机重量也要增加,推重比又要受影响。而单纯增加压气机级数和部件强度的办法,又会让发动机的长度、重量增加。影响载机发动机舱的设计和重量配平。

未来发展

为了弥补M88的性能不足和“阵风”战斗机节节攀升的重量,斯奈克玛公司加紧发展后续型号M88-3,通过把风扇进口流量从M88-2的65公斤增加到72公斤,M88-3的推力提高到90千牛。不过限于经费不足,M88-3可能要推迟到2010年之后才会配装到“阵风”上。其实,与现在推力已达到90千牛以上的F414和EJ200相比,M88-3难说有哪些优势可言。更重要的是,前两者的发展型 F414EDE与EJ230/270都达到120千牛推力级别,推重比高达11左右,属于采用全新技术与结构的产物。如果F/A-18E/F与“台风”今后分别装备了上述两款改进型号发动机,那么装备M88—3的“阵风”在发动机和相关性能上的差距反而还会拉大。近来,由M88核心机发展来的A400M军用运输机动力——TP400-D6涡桨发动机屡次出现试验故障,而且仅达到最大额定功率的75%,给本就延期的A400M项目雪上加霜。空客公司的母公司——EADS公司甚至威胁要冻结A400M的生产,让人们对M88以及斯奈克玛公司的能力又有了新的质疑。

笔者以为,M88采用了先进的材料与加工工艺,使用维护简便可靠,但同时因为设计水平欠缺和沿袭较多参考机型的特点,以致其技术指标较为平庸,与同时出现的美、英新一代同类发动机有着不小的差距。因此,赋予M88发动机如“法国完全独立研制的第4代先进发动机”等这样的称号,并不符实际。就如同号称“第三代半战机佼佼者”的“阵风”,其实只不过达到了F/A一18C/D“大黄蜂”和F—16后期型的同等水平一样,说明法国的基础工业水平距离欧美先进国家还有不小的距离。当然,作为斯奈克玛公司一改传统单转子结构发动机的产物,M88的作用也是开创性的。它使得法国发动机的设计理念回归到主流,而且还具有相当的改进潜力。

除了推力与推重比提高的发展型,法国还以M88核心机为基础,衍生出商用大涵道比涡扇SAM-146和军用涡桨发动机TP400-D6。与当年通美国人的合作相比,如今法国以M88为核心,作为SAM-146项目的主导者与俄罗斯合作,进入商用支线客机市场。斯奈克玛公司30年间角色位置的转变,充分见证了其利用国际项目的合作与分工、吸收先进技术与理念的成功经验:在作好自身工作的同时,把所学转为己所用,就可以有效提高自身水平,从次级合作者变成主要合作者,乃至主导者,并达成从提供低压部件到核心部件的推进目标,赢得伙伴与市场、顾客的信任和尊重。

当然,M88的发展过程对于我们还有更深层的借鉴与启示:在世界航空工业史上没有跨越式发展这条路可走,要发展具备先进、可靠且高规范标准的航空技术与产品,除了型号项目的研制外。更需要有完善、坚实的工业基础支撑。没有工业基础支撑的航空技术始终都只是无根之木,而这更需要各个行业,甚至几代人共同的艰苦努力才能实现。

 

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