解讀太行發動機技術:復合材料機匣達四代水平
太行發動機,也叫渦扇10系列發動機。太行發動機的1978年預研,1987年立項,2005年12月28日完成設計定型審查考核,歷時27年。太行發動機是具有自主知識產權的高性能、大推力、加力式渦輪風扇發動機,它結束了國產先進渦扇發動機的空白。太行發動機由航空研究院606所研制,是國產第三代大型軍用航空渦輪風扇發動機。采用大推力涵比及全自動數字化控制系統,推力達到12000KGF-14000KGF(公斤力9.8N/Kg) 。目前主要用于裝備第三代高性能殲-11B戰斗機 。
2007年1月,配裝WS-10“太行”發動機的國產殲11B重型戰斗機順利完成定型審查,標志著我國在自主研制航空發動機方面實現了從中等推力到大推力的跨越;從渦噴發動機到渦扇發動機的跨越;從第二代發動機到第三代發動機的跨越,對我國國防工業和國防現代化建設有著深遠的歷史意義。
太行發動機不但可以作為戰斗機的動力,并且太行發動機未來的大涵道比加力改型可以用于轟炸機,而大涵道比的無加力型可以用于未來的大型運輸機。由太行發動機衍生的船用燃氣輪機可以作為驅逐艦等大型水面艦只的主動力。并且,在“太行”的研制過程中,廠方嚴格執行參照“美軍標制”定的軍用標準,發動機的可靠性和使用壽命比起以往的國產發動機和進口的俄制發動機,要有質的飛躍。太行發動機的研制成功意味著國產??罩鲬鹧b備的“心臟病”將得到全面解決。
“太行”誕生的過程也是鍛造研發航空動力頂尖人才的過程,我國開始擁有了一支能夠獨立研制大推力航空發動機的人才隊伍和創新梯隊,對于航空動力事業來說,“太行”只是一個起點。
在太行發動機研制過程中采用的新技術: 1)三級風扇為帶進氣可變彎度導向葉片的跨音速氣動設計,采用懸臂支承,不帶進氣變彎度導向葉片;超塑成型擴散連接的進氣機匣,是國內該項設計技術的全新突破; 2)兩級低壓渦輪為復合傾斜彎扭的三維氣動設計,低壓渦輪兩級導向葉片均為空心、三聯整體無余量精鑄結構,與高壓渦輪對轉,其效率達到當今國際先進水平。
3) 太行的空心葉片,606所集內優秀的設計、材料、工藝、加工、檢測等方面的專家組成了“隊”,經過8年的潛心研究、試驗,終于掌握了這種被譽為現代航空發動機“王冠上的明珠” 的尖端技術。借鑒了國際上先進的氣膜冷卻技術,大膽采用了復合氣冷空心渦輪葉片。它不僅包括先進的設計技術、高溫材料技術,還包括定向凝固技術、無余量精鑄技術、五坐標數控打孔技術、磨粒流光整技術、無損檢測技術、冷卻試驗技術、高溫涂層技術。
4)“太行”發動機復合材料外涵機匣是復合材料技術在國內航空發動機上的次應用。是國外第四代發動機技術,填補了國內航空發動機技術的空白;復合材料外涵機匣比鈦板焊接結構的外涵機匣重量減輕30%,而且比強度、比剛度更高,疲勞壽命更長,更耐腐蝕。 此款“太行” 疑似為正在試飛的殲-20所使用發動機,這型發動機也是目前先進的在產的國產發動機。
5)加力燃燒室為“平行進氣”式,工作范圍寬,重量輕,流體損失小,采用分區分壓供油方案,保證了在發動機工作包線內的可靠點火和穩定; 6)第Ⅳ級和Ⅷ級高壓壓氣靜子葉片,在國內次實現了高溫合金葉片的冷輥軋。研制成功的GH4169合金Ⅳ級至Ⅷ級靜子葉片冷輥軋填補了國內高溫合金葉片冷輥軋技術的空白。2004年12月底完成攻關,在國際上處于地位。
7)尾噴口為全程無級可調收斂擴散噴口設計,填補了國內的空白。不過收擴噴口精鑄件平均合格率僅為54%,尚需進一步提高。
8)“太行”航空發動機渦輪后機匣電子束焊接,無論是工藝安排還是零件交付質量都無可挑剔。
9)將納米氧化鋯技術應用于熱障涂層,給“太行”發動機高壓渦輪導向葉片以及低壓一、二級導向葉片穿上了一層性能優良穩定的“保護衣”,達到了熱障涂層技術應用的前沿。2005年5月,完成該技術工程化,在“太行”發動機葉片上應用。2005年8月,用納米氧化鋯熱障涂層技術噴涂的高壓渦輪導向葉片解決了燒蝕問題,順利通過了“太行”發動機長期試車考核。
10)次采用整體鑄造鈦合金中介機匣;其技術難題終由北京航空材料研究院解決。
11)“太行”發動機試驗初期所用的控制系統是數字電調系統,但其在穩定性、可靠性和抗干擾性等方面還不夠成熟,因此改為機械液壓方案,1998年12月,該方案裝機試車,經過嚴格的考核驗證,能保證發動機可靠工作。原來的數字電調方案則改為第二案,待發展成熟后再取代機械液壓控制方案。
12)在“太行”發動機原型機研制階段,高壓渦輪盤采用了粉末冶金的新材料,但由于國內相關技術尚未完全成熟,從定型批這種材料被換掉。
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2007年1月,配裝WS-10“太行”發動機的國產殲11B重型戰斗機順利完成定型審查,標志著我國在自主研制航空發動機方面實現了從中等推力到大推力的跨越;從渦噴發動機到渦扇發動機的跨越;從第二代發動機到第三代發動機的跨越,對我國國防工業和國防現代化建設有著深遠的歷史意義。
太行發動機不但可以作為戰斗機的動力,并且太行發動機未來的大涵道比加力改型可以用于轟炸機,而大涵道比的無加力型可以用于未來的大型運輸機。由太行發動機衍生的船用燃氣輪機可以作為驅逐艦等大型水面艦只的主動力。并且,在“太行”的研制過程中,廠方嚴格執行參照“美軍標制”定的軍用標準,發動機的可靠性和使用壽命比起以往的國產發動機和進口的俄制發動機,要有質的飛躍。太行發動機的研制成功意味著國產??罩鲬鹧b備的“心臟病”將得到全面解決。
“太行”誕生的過程也是鍛造研發航空動力頂尖人才的過程,我國開始擁有了一支能夠獨立研制大推力航空發動機的人才隊伍和創新梯隊,對于航空動力事業來說,“太行”只是一個起點。
在太行發動機研制過程中采用的新技術: 1)三級風扇為帶進氣可變彎度導向葉片的跨音速氣動設計,采用懸臂支承,不帶進氣變彎度導向葉片;超塑成型擴散連接的進氣機匣,是國內該項設計技術的全新突破; 2)兩級低壓渦輪為復合傾斜彎扭的三維氣動設計,低壓渦輪兩級導向葉片均為空心、三聯整體無余量精鑄結構,與高壓渦輪對轉,其效率達到當今國際先進水平。
3) 太行的空心葉片,606所集內優秀的設計、材料、工藝、加工、檢測等方面的專家組成了“隊”,經過8年的潛心研究、試驗,終于掌握了這種被譽為現代航空發動機“王冠上的明珠” 的尖端技術。借鑒了國際上先進的氣膜冷卻技術,大膽采用了復合氣冷空心渦輪葉片。它不僅包括先進的設計技術、高溫材料技術,還包括定向凝固技術、無余量精鑄技術、五坐標數控打孔技術、磨粒流光整技術、無損檢測技術、冷卻試驗技術、高溫涂層技術。
4)“太行”發動機復合材料外涵機匣是復合材料技術在國內航空發動機上的次應用。是國外第四代發動機技術,填補了國內航空發動機技術的空白;復合材料外涵機匣比鈦板焊接結構的外涵機匣重量減輕30%,而且比強度、比剛度更高,疲勞壽命更長,更耐腐蝕。 此款“太行” 疑似為正在試飛的殲-20所使用發動機,這型發動機也是目前先進的在產的國產發動機。
5)加力燃燒室為“平行進氣”式,工作范圍寬,重量輕,流體損失小,采用分區分壓供油方案,保證了在發動機工作包線內的可靠點火和穩定; 6)第Ⅳ級和Ⅷ級高壓壓氣靜子葉片,在國內次實現了高溫合金葉片的冷輥軋。研制成功的GH4169合金Ⅳ級至Ⅷ級靜子葉片冷輥軋填補了國內高溫合金葉片冷輥軋技術的空白。2004年12月底完成攻關,在國際上處于地位。
7)尾噴口為全程無級可調收斂擴散噴口設計,填補了國內的空白。不過收擴噴口精鑄件平均合格率僅為54%,尚需進一步提高。
8)“太行”航空發動機渦輪后機匣電子束焊接,無論是工藝安排還是零件交付質量都無可挑剔。
9)將納米氧化鋯技術應用于熱障涂層,給“太行”發動機高壓渦輪導向葉片以及低壓一、二級導向葉片穿上了一層性能優良穩定的“保護衣”,達到了熱障涂層技術應用的前沿。2005年5月,完成該技術工程化,在“太行”發動機葉片上應用。2005年8月,用納米氧化鋯熱障涂層技術噴涂的高壓渦輪導向葉片解決了燒蝕問題,順利通過了“太行”發動機長期試車考核。
10)次采用整體鑄造鈦合金中介機匣;其技術難題終由北京航空材料研究院解決。
11)“太行”發動機試驗初期所用的控制系統是數字電調系統,但其在穩定性、可靠性和抗干擾性等方面還不夠成熟,因此改為機械液壓方案,1998年12月,該方案裝機試車,經過嚴格的考核驗證,能保證發動機可靠工作。原來的數字電調方案則改為第二案,待發展成熟后再取代機械液壓控制方案。
12)在“太行”發動機原型機研制階段,高壓渦輪盤采用了粉末冶金的新材料,但由于國內相關技術尚未完全成熟,從定型批這種材料被換掉。
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