“太行”號稱“天下之脊”,渦扇-10取名“太行”,其意義不言自明。該發動機於1978年預研，1987年立項，2005年12月28日完成設計定型，2016年開始批量裝備部隊，前後歷時近40年，現在已經大批量地裝上了國產殲-11B戰鬥機和國產殲-16戰鬥機，以及成都廠的殲-10戰鬥機。配備“太行”發動機的殲-20也進入公眾視野……
渦扇-10發動機,也被稱為“太行”發動機,研製機構是中國航空研究院606所,是國產第三代大型軍用航空渦扇發動機,也是中國首個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。
依據裝備對象的不同,渦扇-10系列有渦扇-10、渦扇-10A、渦扇-10B、渦扇-10C、渦扇-10D等型號,其中渦扇-10A是專門為中國為趕超世界先進水平而上馬的新型戰鬥機殲-10戰鬥機配套的發動機。
中國為加快發展渦扇-10系列發動機,採取兩條腿走路方針。一是引進國外成熟的核心機技術。中美關係改善的八十年代,中國從美國進口了與F100同級的航改陸用燃汽輪機,這是渦扇-10A核心機的重要技術來源之ー;二是自研改進。
中國充分運用當時正在進行的高推預研部分成果(如92年試車成功的624所中推核心機技術,性能要求全面超過F404),對引進的核心機加以改進,使核心機技術與美國原型機發生了較大變化,性能大為增強。
2007年1月,裝備渦扇-10“太行”發動機的國產殲-11B重型戰鬥機順利完成定型,標誌著我國在自主研製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”發動機進行臺架試驗
定型十年難以批量生產
然而,在實際應用領域,“太行”發動機的現狀也是差強人意的。尤其是在最近十年內,國家需要大推力發動機,幾乎都從俄羅斯進口。主要表現在,殲-10戰鬥機裝備的發動機,幾乎都是俄羅斯發動機,而且中國唯一一款艦載機殲-15,大多數裝備都是俄羅斯進口發動機。再比如,裝備“太行”發動機的殲-11戰鬥機,長期不能上青藏高原執行任務,而同時期堅持採用俄羅斯發動機的殲-10A則比較順利的完成了。
第三代發動機AL-31F隨著92年蘇-27引進進入中國,原本高層宏觀上安排引進這種發動機仿製,而航空屆17位院士聯名上書國務院,認為引進發動機會毀滅國內航空發動機研發的基礎。因此,蘇-27引進單單沒有引進發動機生產技術,而國內歷經艱辛研製出“太行”發動機在定型以後12年的時間裡,一直陷在可靠性和穩定性困局中,並沒有實現當初取代進口發動機的預期。
而很長一段時間內,每年我國還需要從俄羅斯引進多達200~400臺AL-31F發動機。實際上,現在回頭看過去,當年即便引進了AL-31,只要堅持研發的投入,總投資規模還小於如今的情況,反而不會長期依賴從俄羅斯進口發動機。
第二個方面是設計思路存在著一定的問題,簡單照搬釀成惡果。“太行”發動機高壓壓氣機從CFM56的高壓壓氣機中遷移而來,原本考慮這種壓氣機本身直接來源於F110,本身極為成熟可靠,但“太行”發動機整體設計取值因為壓氣機壓比大,總壓比大於32,導致壓氣機出口處溫度過高,發動機要達到理想的性能,要比同類F100和AL-31這樣的發動機渦輪前溫度高50~70度。
"太行"發動機高壓壓氣機從CFM56的高壓壓氣機中遷移而來,原本考慮這種壓氣機本身直接來源於F110,本身極為成熟可靠。
通用自己在F101吃夠了苦頭,F110直接用了成熟的單晶渦輪,而我們沒掌握單晶渦輪生產技術,又選擇瞭如此高的循環參數,只有硬著頭皮用定向凝固葉片去硬撐,結果搞得服役以後渦輪問題層出不窮,經常出現斷裂事故,說發動機噴零件大部分是因為這個原因。
第三個方面的教訓是製造水平不匹配。同樣以“太行”為例,“太行”批產以後,出現大面積質量問題,回頭一查,工廠在生產的工藝過程擅自改進改動的不合理問題在2萬多個問題中的比例超過30%。奇怪的是，我國的幾個發動機生產廠都是美國普惠、通用、英國羅-羅的合格供應商, 生產很多發動機的重要零部件,這些產品水平要求並不低於我國這些自用型號的要求,你聽說哪架民航飛機出了問題說中國零件不行嗎?
其實,這是製造行業在沒有外部明確要求的時候,實現高水平製造自身工藝設計水平嚴重不足的體現。我國工藝師一向不受重視,往往在產業體系中技術地位最低下。而高水平的製造行業對工藝的要求甚至高於工程師,國際上三大航發集團的工藝設計都是極為重視,被視為核心的知識產權之一,不僅有系統的設計體系還有嚴密的研發體系,以及海量嚴密的實驗數據的紀錄和文檔,擁有大量專利。
四十年終於打造可靠中國心
“太行”為了穩妥起見,設計藍本採用美國通用著名的F110系列發動機,中國其實並沒有獲得過F110發動機,而有可能接觸到的巴基斯坦和以色列,它們的F-16和F-15飛機配置的都是F100系列的發動機,而且中國和美國GE的合作中,獲得了很多關於F110的基礎技術。
這其中包含CFM56-3的核心機技術,CFM56-3的發動機核心機是最接近F110核心機的衍生產品,然而CFM56畢竟是民用發動機,並不是原封不動移植了F110的核心機,我國最多僅能說有一個能掌握和了解F110核心機技術的機會,但這個核心機的拿來主義,為整個“太行”的計劃總體設計埋下了失敗的陰影。
裝備渦扇-10"太行“發動機的國產殲-11重型戰鬥機順利完成定型,標誌著我國在自主研製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。
為什麼這麼說呢? 主要是GE這個高壓壓氣機的壓比太高,流量又偏小,壓氣機裕度很小,這導致了“太行”總體設計上一系列不合理的取值。
比如說總增壓比太高,第三代甚至第四代發動機大多設計壓比都選擇在20~30之間,比如AL-31、F100和F404都在21~25之間,而“太行”追隨F110達到了32。本來發動機壓比高可以縮小發動機尺度,提高輸出功率,但總增壓比高導致壓氣機出口溫度過高,“太行”的燃燒室進口溫度比F100、AL-31高了100多度,這意味著燃燒以後渦輪前溫度也至少比這兩者高100多度。
渦輪的耐溫本來就是世界難題,別說高100多度,提高10~20度都算一個不小的進步,“太行”總體上這個取值,首先就讓我們遇到一個非常難以克服的困難。
別看GE在F110多麼可靠多麼穩定,F110的前身F101可是“趴機皇后”,就是因為這個參數過高導致渦輪問題重重,GE技術水平高,花了10幾年下死工夫,用三代單晶葉片和雙性能渦輪盤解決了問題,而我們呢? 別說三代單晶,第一代單晶都弄不利索,“太行”最後被逼用定向凝固金屬來實現三代單晶的設計,依靠複雜的冷卻設計和加重加厚的渦輪設計,勉強通過了實驗。
“太行”高循環參數,發動機卻並不輕,就因為這個原因,而後實際使用中,渦輪頻頻出現過熱裂紋,甚至破裂飛散,“太行”於是出現了噴零件的問題。
“太行”第二個嚴重問題是606在其所設計的所有型號上都遇到,至今沒有能完全解決的一個問題,就是高低壓配合。“太行”的設計採用核心機一一主要部件單元體設計,實際上就是說,風扇和核心機是分開設計的,風扇低壓和高壓壓氣機的配合問題從一開始就一直需要解決,但是一直沒得到解決。
“太行”都定型服役了,某一天某個研究突然發現,實際上風扇在某些狀態下流速和壓比根本沒有什麼裕度。也就是說,後面的壓氣機理論上就無法正常工作,事實上“太行”是一種非常容易出現空中停車的發動機,從它定型開始應用,就頻頻發作,以至於單發戰鬥機殲-10只安裝了飛了ー次,就趕快拆下來送回工廠,以後再也不用了。而殲-11B則為這個背了很多黑鍋,好在雙發飛機不容易兩個發動機同時停車,只要再啟動可靠,還能勉強使用。
上面說的問題還只是冰山的一角,在“太行”服役的前三年,爆發了非常激烈的故障和性能問題爭論,以至於高層高度重視,專案專組調查這件事情。在此期間,空軍海軍委屈地提出了2萬多個不同類型的問題和故障。
臥薪嚐膽、忍辱負重,“太行”不“太行”這個結論出來以後,不僅是發動機研製單位受不了,發動機廠受不了,實際上整個空軍海軍也受不了,中國整個製造工業都受不了,奇恥大辱啊。
這種情況下,空海軍堅持要把“太行”搞下去,發展下去,堅決要求整頓航空工業整頓發動機工業,從2萬多條問題人手,要求徹底解決“太行”不太行的問題。
為了應對這個新的要求,研究所成立了三個獨立的團隊,分別針對“太行”的現狀進行研究攻關,但三個組各有目標。
A組是基於當前發動機,修正發動機目前的主要問題,讓發動機實現可用的狀態。“太行”架構其實蠻先進的,發動機設計推力高達129.97千牛,排除了製造上的一系列工藝以及結構上的小問題。“太行”發動機採用俄羅斯AL-31F的工作邏輯,降轉限溫,能有效提高發動機的壽命和降低故障的出現間隔以及概率,於是初版的發動機增加了俄式發動機的訓練模式,與作戰模式的主要區別是發動機被限制在最大轉速的97%上,發動機最大推力從13噸降低到略低於12噸,只需撥動一個開關,發動機則可以恢復作戰模式.
B組目標則著眼於改進發動機的生產工藝以及重要部件的配合調整,最重要的設計修改可能來源於將DD6單晶渦輪葉片作為標準進行了批量化生產,此外對風扇也進行了一些設計修正,調整了可調靜葉的設計和活動範圍與規律,加強了全權限數字式發動機控制(FADEC)的設計和性能管理。B組最終目的是實現發動機的基本可靠性,實現單發飛機可用的發動機狀態,以及推力進一步增加到137千牛。
裝備渦扇-10B矢量發動機的殲-10戰機
C組重點完全和前兩個小組不同,他們重新研究發動機的基本組件,重點是全新的重新設計的風扇,應用三代單晶和雙性能粉末盤的高低壓渦輪、燃燒室、加力燃燒室以及尾噴管,這個小組要實現發動機更高的可靠性、長壽命、可維護性能,以及超過145千牛的最大推力。最終經過10年左右的奮鬥,基本穩定了質量。從2015年開始,黎明批量生產的“太行”發動機, 可靠性基本和俄羅斯AL-31發動機持平,這也是從2016年開始中國斷絕了從俄羅斯進口AL-31發動機的主要原因。
外加俄羅斯冷戰時期技術工人隊伍大部分退休,新工人責任心素質大幅度下降,最近幾年進口的AL-31發動機,質量明顯下降,快到不可接受的程度。從2016年後看到中國新出廠的新戰鬥機,裝備的發動機幾乎都是“太行”發動機,前後40年勉強穩定,非常艱辛。■
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