AL-31F第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由俄羅斯留里卡"土星"科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。該聯(lián)合體前身是留里卡設(shè)計(jì)局,組建于1946年,是前蘇聯(lián)的主要戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)局。在上世紀(jì)60年代,留里卡研制了AL-21F系列渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),其最大加力推力達(dá)11000daN。1970~1974年投入生產(chǎn),廣泛用于蘇-17、蘇-20、蘇-22、蘇-24和米格-23戰(zhàn)斗機(jī)上。
介紹蘇-27系列飛機(jī)是當(dāng)今世界上典型的第四代殲擊機(jī),自該機(jī)問世以來,曾經(jīng)創(chuàng)造了快速爬高的多項(xiàng)世界紀(jì)錄,普加喬夫駕駛的蘇-27飛機(jī)還首創(chuàng)了著名的高難度"眼鏡蛇"機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作。據(jù)報(bào)道,早在1988年已估計(jì)有三四百架蘇-27戰(zhàn)機(jī)在蘇軍中服役。此后,該系列飛機(jī)不僅部署到獨(dú)聯(lián)體國家,而且還成功地出口到俄羅斯境外的包括印度和中國在內(nèi)的一些國家。這些業(yè)績的取得,都與該系列戰(zhàn)機(jī)的動(dòng)力裝置AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)有密切關(guān)系。AL-31F除了用在雙發(fā)布局飛機(jī)之上,還推出了可用在單發(fā)布局飛機(jī)上的改型發(fā)動(dòng)機(jī)AL-31FN。作為中國空軍第四代戰(zhàn)斗機(jī)的唯一動(dòng)力系統(tǒng),AL-31系列發(fā)動(dòng)機(jī)在中國空軍中扮演著至關(guān)重要的地位。因此,AL-31F的過去、現(xiàn)在和未來的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。
簡介AL-31F是由俄羅斯留里卡"土星"科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。該聯(lián)合體前身是留里卡設(shè)計(jì)局,組建于1946年,是前蘇聯(lián)的主要戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)局。在上世紀(jì)60年代,留里卡研制了AL-21F系列渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),其最大加力推力達(dá)11000daN。1970~1974年投入生產(chǎn),廣泛用于蘇-17、蘇-20、蘇-22、蘇-24和米格-23戰(zhàn)斗機(jī)上。在AL-21基礎(chǔ)上,1976年(另一說法是1973年)留里卡開始研制AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)。1985年該發(fā)動(dòng)機(jī)研制達(dá)標(biāo)后,用于蘇-27、蘇-30和蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)。
AL-31F的結(jié)構(gòu)形式是雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。推力范圍:加力12250daN,中間7620daN。每臺(tái)價(jià)格300萬美元。AL-31F有一些改進(jìn)型,其中包括帶矢量推力噴管的改進(jìn)型AL-31FP發(fā)動(dòng)機(jī)。
從總體上講,作為蘇-27戰(zhàn)機(jī)的專用動(dòng)力裝置AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī),其性能是優(yōu)良的,具有明顯優(yōu)勢。
(1)尺寸小,推力大。其渦輪具有有效的冷卻系統(tǒng)和良好的熱力學(xué)特性;壓氣機(jī)增壓快速,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,保證飛機(jī)有較高的推力和良好的機(jī)動(dòng)性。
(2)穩(wěn)定性高??墒褂迷谔K-27飛機(jī)的各種飛行高度和速度下,即使飛機(jī)在以M2的速度進(jìn)入平螺旋、直螺旋、翻轉(zhuǎn)螺旋和進(jìn)氣道喘振的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)工作仍然極其穩(wěn)定。喘振消除系統(tǒng)、空中自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)、主燃燒室和加力燃燒室的再次啟動(dòng)系統(tǒng)等可保證在使用機(jī)載武器時(shí)動(dòng)力裝置的工作可靠性。
(3)維修簡便。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用單元體結(jié)構(gòu),由14個(gè)單元體組成,因此,如果出現(xiàn)某些損壞,不需要全部更換,只替換下有故障的單元體即可。這樣,在使用條件下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)維修時(shí),可更換其中的6個(gè)單元體。
(4)使用壽命長。AL-31F可根據(jù)其技術(shù)狀況而使用,只要發(fā)動(dòng)機(jī)還正常,就可以一直使用下去,而現(xiàn)代化水平的診斷設(shè)備可保證飛行安全。但其使用壽命也有一個(gè)限度,一般認(rèn)為該發(fā)動(dòng)機(jī)第一次維修前的使用壽命可達(dá)1000h,總使用壽命應(yīng)該不少于10年。
技術(shù)數(shù)據(jù)最大加力推力 12258
中間推力(daN) 7620
加力耗油率[kg/(daN·h)] 2.00
中間狀態(tài)耗油率[kg/(daN·h)] 0.795
推重比 8.17(按前蘇聯(lián)關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)干質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))
7.14(按國際上一般規(guī)定計(jì)算)
空氣流量(kg/s) 112.0
涵道比 0.60
總增壓比 23.8
最大直徑(mm) 1300
1750 (按國際上一般規(guī)定)
結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)氣口
進(jìn)氣機(jī)匣為全鈦結(jié)構(gòu),有23個(gè)可變彎度的進(jìn)口導(dǎo)流葉片,導(dǎo)流葉片前緣固定,由來自高壓壓氣機(jī)第7級(jí)的空氣防冰,后部則為可調(diào)葉片。整個(gè)風(fēng)扇為全鈦結(jié)構(gòu)。前3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片帶有阻尼凸臺(tái)。整個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子用電子束焊焊為一個(gè)整體構(gòu)件。第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片對(duì)應(yīng)的外機(jī)匣上,帶有機(jī)匣處理環(huán)腔,開有400個(gè)斜槽,用以提高風(fēng)扇的穩(wěn)定工作裕度。第4級(jí)出口整流葉片為雙排的串列葉柵。
高壓壓氣機(jī)
9級(jí)軸流式。第1~3級(jí)盤用電子束焊焊在一起,而第4~6級(jí)盤同樣用電子束焊焊為一個(gè)整體。第7~9級(jí)則為單盤,而用長螺栓與6級(jí)盤連在一起,第1~6級(jí)盤為鈦合金構(gòu)件,第7~9級(jí)則用耐熱合金制成。第1~5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片用鈦合金制成,第6~9級(jí)轉(zhuǎn)子葉片用耐熱合金制成。所有9級(jí)的榫頭均為環(huán)形燕尾槽式榫頭。進(jìn)口導(dǎo)流器和1級(jí)導(dǎo)流器均由鈦合金制成并裝在一個(gè)由鈦合金制成的前機(jī)匣上。進(jìn)氣導(dǎo)流器和第1~2級(jí)導(dǎo)流器,共三排是可調(diào)的。1~8級(jí)導(dǎo)流器均為懸臂式結(jié)構(gòu),出口導(dǎo)流器也是雙排串列葉柵。
燃燒室
環(huán)形。有28個(gè)雙油路離心式噴嘴,兩個(gè)點(diǎn)火裝置和半導(dǎo)體電嘴。
渦輪
高低壓渦輪均為單級(jí)。高壓渦輪導(dǎo)向器共有14組,每組3個(gè)葉片。高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片共90片,不帶冠,榫頭處帶有減振器。低壓渦輪導(dǎo)向器共11組,每組亦為3個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子葉片亦為90片,帶冠。低壓渦輪軸的特點(diǎn)是前后分為三段,前、后段由耐熱不銹鋼制成,中段由鈦合金制成,三段間以“叉型”結(jié)構(gòu)用徑向銷釘連為一體。高、低壓渦輪的4排葉片均為氣冷式葉片,總冷氣量占內(nèi)涵空氣流量的17.5%,其中直接引自第二股氣流的為7.5%,主要冷卻高壓渦輪導(dǎo)向器前緣等處,另一股氣流為8.9%,自燃燒室機(jī)匣外壁處引出,經(jīng)設(shè)置在外涵流路中的空氣-空氣換熱器冷卻,可使冷卻空氣降溫125~210℃,這些空氣中,占內(nèi)涵流量的6.4%經(jīng)高壓導(dǎo)向器的中腔進(jìn)入,除用于冷卻導(dǎo)向葉片外,有4.6%進(jìn)入高壓渦輪盤前,并有3.2%的空氣用于冷卻高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片用外涵空氣進(jìn)行冷卻。冷氣經(jīng)渦輪后機(jī)匣支板引入內(nèi)部,經(jīng)低壓渦輪盤上的一些徑向斜孔的泵效應(yīng)增壓,再進(jìn)入低壓渦輪葉片。
加力燃燒室
進(jìn)口處有混合器,分5區(qū)供油,其中第5區(qū)為加力起動(dòng)區(qū),采用“熱射流”方式點(diǎn)火?;鹧娣€(wěn)定器有3圈“V”形穩(wěn)定器,并有一些徑向傳焰槽。防振措施為全長防振屏并在內(nèi)尾錐處開有大量的防振孔。
尾噴管
收斂-擴(kuò)張式噴口,各有16個(gè)調(diào)節(jié)片和封嚴(yán)片。收斂噴口靠16個(gè)液壓作動(dòng)筒操縱,擴(kuò)張噴口則靠16個(gè)周向氣壓作動(dòng)筒形成的環(huán)形“束帶”固緊,隨著噴口落壓比的變化,靠氣動(dòng)力作動(dòng)改變噴口的出口截面面積。
控制系統(tǒng)
基本部分為機(jī)械-液壓系統(tǒng),包括主泵-主調(diào)節(jié)器、加力泵和加力供油和噴口控制等主要附件。還具有稱為綜合控制器的模擬式電子控制裝置,控制發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作狀態(tài)的極限值,并有其他多種功能。當(dāng)電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),便自動(dòng)轉(zhuǎn)換由機(jī)械-液壓系統(tǒng)控制。還具有多項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng),以及前蘇聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)特有的防喘系統(tǒng)和渦輪冷卻氣控制系統(tǒng)等。
發(fā)動(dòng)機(jī)AL-31F本來是雙發(fā)布局的蘇-27系列戰(zhàn)斗機(jī)的專用發(fā)動(dòng)機(jī),為使它能在中國空軍的殲10戰(zhàn)斗機(jī)上使用,留里卡設(shè)計(jì)局"禮炮"(Salut)公司幾年前推出了AL-31F的改型發(fā)動(dòng)機(jī)AL-31FN。該型發(fā)動(dòng)機(jī)的特別之處是:將發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)箱從附著在發(fā)動(dòng)機(jī)上面,移到附著在發(fā)動(dòng)機(jī)的下面,而飛機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣還是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上面。這樣處置是為了滿足客戶要求。
從俄羅斯"禮炮"公司2002年11月提供的資料來看,由俄方改型專供出口的AL-31FN發(fā)動(dòng)機(jī)性能、尺寸和質(zhì)量的數(shù)據(jù),與原型的AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)只有很少的區(qū)別。
由于從雙發(fā)配置改為單發(fā)配置的飛機(jī)使用,發(fā)動(dòng)機(jī)附件得以簡化,又由于AL-31FN發(fā)動(dòng)機(jī)拆去了內(nèi)外涵流道的分流隔板,使得發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕了一些。但由此帶來的一些負(fù)面影響,仍有待深究。另一不足之處是AL-31FN的燃油消耗率也略有提高,因此,AL-31F系列發(fā)動(dòng)機(jī)仍有性能改進(jìn)的必要。
發(fā)展思維AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)20多年了。上世紀(jì)90年代,"禮炮"公司把頭幾批AL-31F提供給前蘇聯(lián)空軍,安裝在雙發(fā)布局的蘇-27型殲擊機(jī)上。盡管"禮炮"公司進(jìn)行了產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、預(yù)防檢修和定期維護(hù),但是維修措施并不能保障該發(fā)動(dòng)機(jī)永久使用。因此,為了適應(yīng)新世紀(jì)的戰(zhàn)爭環(huán)境,"禮炮"公司在本世紀(jì)初已建議俄國空軍按三個(gè)階段改進(jìn)AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)。
1.第一階段
第一階段的改進(jìn)已經(jīng)完成,只改變了"通風(fēng)機(jī)"--風(fēng)扇的兩端部件,推力提高了600~700kg。2002年1月,該改型在兩架蘇-27飛機(jī)上進(jìn)行了綜合飛行試驗(yàn),第二架飛機(jī)用于進(jìn)行國家試驗(yàn),2002年12月按計(jì)劃結(jié)束。飛行研究結(jié)果證實(shí)了初始計(jì)算指標(biāo),即安裝有兩臺(tái)AL-31F-M1改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的蘇-27飛機(jī),在11000m高度上從300km/h加速到1200km/h飛行速度的時(shí)間比原型飛機(jī)減少了26s。由此,可使飛機(jī)在空戰(zhàn)中更具有加速性好的優(yōu)勢。
2.第二階段
按計(jì)劃應(yīng)在2003年末~2004年第一季度結(jié)束。其質(zhì)變的改進(jìn)將涉及到渦輪機(jī)、燃燒室、冷卻系統(tǒng)。
3.第三階段
有原則性變化:安裝俄羅斯第五代發(fā)動(dòng)機(jī)零件。其中如把第一改進(jìn)階段上使用的四級(jí)壓縮風(fēng)扇換成大行程葉片的"通風(fēng)機(jī)",葉片與葉輪合為一體。經(jīng)過第三階段改進(jìn)后,發(fā)動(dòng)機(jī)推力將增加到14600kg,使蘇-27飛機(jī)的性能大大改善,而發(fā)動(dòng)機(jī)的保險(xiǎn)壽命和規(guī)定壽命并沒有改變。改進(jìn)型AL-31F-M1發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)役的AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以互換 值得關(guān)注的是,俄領(lǐng)土上幾乎沒有高海拔機(jī)場,而使用蘇-27型系列飛機(jī)的其他國家有這種機(jī)場,其海拔在3500m左右。AL-31F原型發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)只能在海拔2500m以下起作用。為此,"禮炮"公司研制了能在海拔3500m以上啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)。它與現(xiàn)役的啟動(dòng)機(jī)完全可以互換,并已通過了俄國家試驗(yàn)。
另外,"禮炮"公司還可提供適用于單發(fā)飛機(jī)上的帶可控推力矢量噴口的AL-31F改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。該噴口已進(jìn)行了400h的單獨(dú)調(diào)試和特種試驗(yàn),近期還將進(jìn)行帶有這種噴口發(fā)動(dòng)機(jī)的500h內(nèi)的長期試驗(yàn)。
AL-31F的電子控制系統(tǒng)的研制工作正與發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)工作并行開展。
探討綜上所述,對(duì)于蘇-27系列戰(zhàn)斗機(jī)而言, AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)無疑是一臺(tái)優(yōu)秀的第四代軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),由于它在蘇-27及其改進(jìn)型蘇-30MK、蘇-33和蘇-35等型號(hào)上的采用,預(yù)計(jì)該型號(hào)的改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)直至2015年左右仍可在國際軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場中占有一席之地。如果上述的三個(gè)階段的改進(jìn)計(jì)劃都能順利完成,AL-31F系列發(fā)動(dòng)機(jī)在國際市場上將具有較強(qiáng)競爭力。
但是作為國際上第四代發(fā)動(dòng)機(jī),AL-31F仍有多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)不盡如人意。從表2的比較中,不難看出,為了適應(yīng)21世紀(jì)的戰(zhàn)爭環(huán)境,早期的AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)已非改進(jìn)不可,而推重比和啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)海拔高度偏低則是它的最主要問題。
有關(guān)資料表明,俄羅斯軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用壽命與歐美國家同一代發(fā)動(dòng)機(jī)相比有一定的差距。以美國普·惠公司仍在生產(chǎn)的F100系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例,它于1970年3月開始全面研制,1974年11月交付空軍使用,主要裝備F-15和F-16飛機(jī),是世界上最早投入使用的推重比達(dá)8的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)。
AL-31F與F100-PW-229同為國際上第四代戰(zhàn)斗機(jī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),相比之下,在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇中,F(xiàn)100-PW-229比AL-31F要略勝一籌,也就是說,俄制AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)在總增壓比、中間耗油率、涵道比、質(zhì)量,乃至控制系統(tǒng)等方面還存有不同程度的發(fā)展空間。這也許是"禮炮"公司建議俄國空軍按三個(gè)階段改進(jìn)AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī),并得到軍方采納的依據(jù)所在。
據(jù)業(yè)內(nèi)資深人士分析,要提高AL-31F的推力等級(jí),俄方可能會(huì)采用:提高風(fēng)扇通氣流量;提高渦輪前的進(jìn)氣溫度;改善燃燒室組織燃燒的質(zhì)量,擴(kuò)大穩(wěn)定燃燒的工作范圍;改善渦輪冷卻氣流控制系統(tǒng)等技術(shù)途經(jīng)。
在控制系統(tǒng)方面,今后則很可能從早期的機(jī)械液壓式控制燃油和噴口面積,改進(jìn)為數(shù)字式電子控制系統(tǒng),甚至是與F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)娜珯?quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng),使之具有綜合診斷和與飛機(jī)控制系統(tǒng)交聯(lián)的能力。
結(jié)束語透過俄軍方按三個(gè)階段改進(jìn)AL-31F來提高蘇-27系列戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)能力與生存能力的計(jì)劃,不難看出,俄方為適應(yīng)21世紀(jì)的戰(zhàn)爭新環(huán)境,正在走一條與美國研發(fā)新機(jī)大不相同的發(fā)展道路;這就是在俄羅斯目前"有技術(shù),缺資金"的國情之下,不優(yōu)先研發(fā)第五代新機(jī),而是通過對(duì)具有國際第四代水平的有潛力可挖的優(yōu)秀機(jī)種(如蘇-27)的有限改進(jìn),來較快地實(shí)現(xiàn)空軍武器裝備的現(xiàn)代化。俄空軍把改進(jìn)動(dòng)力裝置性能作為提高戰(zhàn)機(jī)性能的首選,表明了動(dòng)力裝置的改善在俄制戰(zhàn)機(jī)性能提高方面是舉足輕重的。這一思路,也許值得發(fā)展中國家,尤其是俄制戰(zhàn)機(jī)用戶國家參考。
相信隨著AL-31F改進(jìn)型(如AL-31F-M1)高空加速性能、推力等級(jí)的提高,以及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)高度提升到海拔3500m以上的實(shí)現(xiàn),不僅將進(jìn)一步打開在國際上價(jià)位較低的蘇-27/蘇-30系列戰(zhàn)機(jī)的外銷市場,而且也有利于有高海拔機(jī)場的用戶在其國土上的全疆域部署。
從技術(shù)層面來看,AL-31F發(fā)展新思維的實(shí)現(xiàn),除了采用高效率核心機(jī)、增大風(fēng)扇流量和改善燃燒室(含加力室)燃燒質(zhì)量的技術(shù)外,今后的設(shè)計(jì)改進(jìn),在參數(shù)選擇上還將注重采用高增壓比、高渦輪前溫度和低涵道比這樣的策略;采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)應(yīng)是它的發(fā)展方向;便于保養(yǎng)與維修的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將進(jìn)一步得到優(yōu)化。
雖然AL-31F性能不夠理想,各方面還有待發(fā)展,但它仍有不少成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得我們學(xué)習(xí)與借鑒,它的發(fā)展新動(dòng)向,更值得我們關(guān)注。預(yù)計(jì),如果AL-31F三年發(fā)展計(jì)劃順利實(shí)現(xiàn),再配置現(xiàn)有的三元矢量推力噴管,將有可能使蘇-27發(fā)展型飛機(jī)在高機(jī)動(dòng)性和高敏捷性方面,直逼F/A-22戰(zhàn)機(jī)的水平。1
續(xù)篇據(jù)俄羅斯軍工新聞網(wǎng)2011年7月8日?qǐng)?bào)道,在7月6日開幕的“鄂木斯克-2011”國際高科技裝備和武器展覽會(huì)上,俄羅斯最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制商“禮炮”燃?xì)鉁u輪機(jī)制造科學(xué)生產(chǎn)中心展出了蘇霍伊系列戰(zhàn)斗機(jī)使用的最新前景改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)AL-31F-M2。
“禮炮”燃?xì)鉁u輪機(jī)制造科學(xué)生產(chǎn)中心總經(jīng)理馬薩洛夫7月7日在展會(huì)上表示,與前身相比,AL-31F-M2發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命更長,推力更大,可達(dá)14.5噸,將主要供第4代多用途殲擊機(jī)蘇-27以及蘇-27SM、蘇-30、蘇-33、蘇-34等飛機(jī)安裝使用。盡管企業(yè)財(cái)政困難,但仍然自籌資金,全力保障最新改型發(fā)動(dòng)機(jī)的所有試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行,從而確保產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。1
本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:
武偉 - 高級(jí)工程師 - 天津直升機(jī)有限責(zé)任公司