东大距离25吨推力的变循环发动机还有多远?
一说起东大喷气发动机,很多人就习惯性地摇头,悲观否定,但实际上经过这些年积累,我国发动机从当初迷茫已经逐渐成熟,多种高性能发动机逐步列装,93阅兵已经展示了足够的实力!
开发高性能发动机并没有什么秘诀,就是要多动手干,光靠键盘喷口水战是出不来的。喷气式发动机是一个大型精密机电产品,除了设计,就是要解决材料,加工,装配,测试这些问题,比如现在喷气发动机很多使用,牌号TC17钛合金整体叶盘,能够减重50%,零件数量减少25%~35%,提高效率5%~15%,F414发动机改用了整体叶盘后推重比提高20%,但钛合金是难加工材料,普通床根本干不动,叶根部到叶尖的误差控制量在0.1mm~0.3mm,要加工这样复杂工件,需要用高端的五轴加工中心,这种东西贵点的要上亿,国内现在这种设备也是越来越多。
而且叶片结构密集,容易出撞刀情况,在加工到叶尖边缘,还出现震刀问题,在加工工艺设计上都要经验积累,也就是要交足够学费。
虽然发动机是高科技产品,但最后也都是手工组装的,前面说过零件不管怎么加工都是有误差的,而发动机高速旋转就会产生振动抖动,甚至飞零件,不过这些误差可通过最后装配把工件之间误差相互抵消,这个就是完全靠装配钳工技术个人素养。
材料方面很早就能批量生产发动机的耐高温合金等,所以在喷气发动机上材料,加工,装配,测试上都有了足够积累,所以发动机这个关口已经过了,当然问题还是有,但后面都会随着行业发展,都会逐步解决!所以对于25吨级别的变循环发动机,作者还是很乐观的,以下就简单说一下变循环发动是怎么回事。
名词解释:变循环喷气发动机,因为字数多,听着就是很有科技含量,但其原理并不复杂,历史也很长,具体来说采用涡轮风扇发动机为核心机,改变涵道比压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比等参数来实现不同的工作模式。在爬升、加速和超声速飞行时,发动机涵道比减小,接近涡喷发动机的性能,以增大推力;在起飞和亚声速飞行时,发动机涵道比增大,以涡扇发动机状态工作,降低耗油率和噪声。
一个形象的比喻
传统发动机:像一辆固定齿比的自行车,上坡费力,平路速度又上不去。
变循环发动机:像一辆有多档位的自行车(如山地车),可以根据路况(飞行阶段)手动换挡,在爬坡档和速度档之间切换。
自适应发动机:像一辆搭载了无级变速(CVT)和智能电脑的混合动力车。它不仅能无级平滑地调整“档位”,还能自动管理电池和发动机的能量分配,同时为车内的空调、大屏幕等用电设备提供最优的能源支持。
变循环发动机历史:
在60年代服役的SR71就使用了普惠J58发动机变循环发动机做到了3倍音速巡航,YF23装备了YF-120
普惠J58发动机变循环发动机:SR-71“黑鸟”侦察机使用的是普惠J58发动机,算是最早批量装备的变循环涡轮冲压发动机。这种发动机融合了涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机的特点。
在低速飞行时,J58发动机主要以涡轮喷气模式工作,此时发动机的进气道设计允许空气进入并经过压缩、燃烧和排出的过程,从而提供推力。当SR-71达到高速飞行时,例如接近或超过三马赫时,高速气流通过第四级压气机后的6根粗管道,越过后面的5级压气机和燃烧室涡轮。J58发动机会转变为冲压模式。此时,高速气流通过第四级压气机后的6根粗管道,越过后面的5级压气机和燃烧室涡轮,进入加力燃烧室,与额外注入的燃料混合并点燃。
这种变循环设计虽然简单粗暴,却能使得J58发动机能够在高速飞行中保持高效工作,同时在低速起飞和降落时也能正常运行。这种发动机的最大推力可达151000牛(34000磅),总压力比为7.5。但最大问题是工作模式,通过飞行员手动完成,切换时间很长,而且还出现切换失败现象
YF-120变循环发动机:YF-23战斗机使用的喷气式发动机是通用电气的YF-120发动机。这种发动机在1991年的评估中被认为比普惠的YF-119发动机表现更好,使得YF-23具有更好的超音速巡航性能和隐身能力。因此,F-23战斗机的喷气式发动机YF-120虽然在某些性能指标上优于YF-119,但由于技术上的不稳定性和复杂性,最终未能成为美国空军的主力战机。
YF-120在低速时以涡轮风扇发动机方式工作,在高速时以近似涡轮喷气发动机的方式工作,发动机采用了双转子方案,采用同轴反转技术,两级低压压气机,高/低压涡轮均只有一级,并且使用了三余度数字式发动机控制组件。
未来25吨变循环发动机:现在“变循环发动机”已经朝着“自适应发动机”方向发展,增加了第三涵道,这个第三涵道可以将空气引入核心机以提升工作效能,或引出核心机以用于冷却,或直接排出以增加推力,增加了调节的自由度。而我们现在推力最大的发动机就是涡扇15,最大推力已经能到18.5吨,采用增加第三涵道那么推力是可以达到25吨级别的,未来战斗机轰炸机性能都会有很大提升。
但难度也也不少主要是:变循环发动机靠调整部件形状(比如移动挡板)来分配气流。但挡板一动,原本平稳的气流会瞬间 “乱流”,可能出现局部压力忽高忽低的情况。这种紊乱会直接让发动机 “工作失常”,轻一点是推力波动,严重时甚至会直接熄火。所以难点在于,怎么让挡板动得又快又准,同时让气流始终保持平稳。
发动机飞行时,需要根据不同场景(比如起飞、加速、巡航)调整一组关键 “参数,包括增压比(类似给空气加压的力度)、涡轮前温度(核心部件的热度)、空气流量(进气多少)和涵道比(内外气流的分配比例)。这些参数相互影响,比如调高温度过高可能损坏零件,调小涵道比又会增加油耗。要让它们始终处于最佳组合,就需要一套“控制系统” 和复杂算法。
对于这些问题如何解决就一个字:”干“!
按照现有进度10年应可以看到这种25吨大推力发动机装备!