鄭天慧，郭 琦，曾海霞，王巍巍

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

核心機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)中環(huán)境溫度、壓力和工作轉(zhuǎn)速最高的部件，其性能體現(xiàn)了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，也決定了發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目的進(jìn)度和成本，并在很大程度上決定發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性水平。從20世紀(jì)60年代起，美、英、法等國(guó)從發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)中認(rèn)識(shí)到，技術(shù)驗(yàn)證核心機(jī)具有減少型號(hào)研制風(fēng)險(xiǎn)、降低研制費(fèi)用、縮短研制周期等特點(diǎn)，開(kāi)始重視核心機(jī)技術(shù)發(fā)展途徑。依托ATEGG(先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器)、HTDU(高溫驗(yàn)證裝置)和 DEXTRE(以帶氣冷葉片的高負(fù)荷渦輪為重點(diǎn)的探索性發(fā)展)等計(jì)劃，在真實(shí)核心機(jī)環(huán)境下對(duì)新部件技術(shù)進(jìn)行性能和耐久性驗(yàn)證，取得了極大成功[1～5]。其中，美國(guó)開(kāi)展的ATEGG核心機(jī)驗(yàn)證計(jì)劃，不僅為F100、F404、F110等發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型及F119等發(fā)動(dòng)機(jī)的順利問(wèn)世奠定了基礎(chǔ)，更促進(jìn)了核心機(jī)發(fā)展途徑從系列化逐漸跨越到多用途層面。

2 美國(guó)的核心機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，美國(guó)與大型發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的核心機(jī)驗(yàn)證計(jì)劃是ATEGG計(jì)劃。該計(jì)劃主要針對(duì)18 kg/s一級(jí)或更大流量的核心機(jī)及相關(guān)部件的設(shè)計(jì)、研制和驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)的技術(shù)可用于將來(lái)的大型渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。

20世紀(jì)60年代以前，美國(guó)的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制和技術(shù)研究退出主導(dǎo)地位，其水平和發(fā)展速度明顯落后于蘇聯(lián)。60年代開(kāi)始，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室認(rèn)識(shí)到這一劣勢(shì)后，在無(wú)財(cái)政預(yù)算資金的條件下，開(kāi)始研究渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)，構(gòu)思出燃?xì)獍l(fā)生器平臺(tái)，以打造未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)。開(kāi)展的首項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃是LWGG(輕重量燃?xì)獍l(fā)生器)計(jì)劃。1963年，LWGG計(jì)劃取得初步成功，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始為其投資，并將其改名為ATEGG計(jì)劃[6]。ATEGG最初目的是在當(dāng)時(shí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研究經(jīng)費(fèi)不足的情況下，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證核心機(jī)。GE公司和普惠公司分別研制了一種核心機(jī)，成功驗(yàn)證了高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。ATEGG是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行計(jì)劃，至今美國(guó)已形成了10代驗(yàn)證核心機(jī)和驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)[7]。

1976年，美國(guó)政府和工業(yè)界聯(lián)合開(kāi)展的技術(shù)發(fā)展研究表明，需要研制具有超聲速巡航能力的戰(zhàn)斗機(jī)。為此，普惠公司在ATEGG計(jì)劃下開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了ATEGG685和XTC65核心機(jī)，并利用成功研制了F119發(fā)動(dòng)機(jī)，在性能、質(zhì)量、可靠性、耐久性、適用性、費(fèi)用和可生產(chǎn)性方面取得了前所未有的平衡[8]。普惠公司先后開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了XTC66、XTC67等驗(yàn)證核心機(jī)，以改進(jìn)F119、F135、F100等發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并為下一代推重比15～20的發(fā)動(dòng)機(jī)打基礎(chǔ)。由此可見(jiàn)，核心機(jī)派生發(fā)展道路受到航空發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，并成為發(fā)動(dòng)機(jī)系列化發(fā)展的主要技術(shù)途徑[9，10]。

2006年，美國(guó)開(kāi)始全面實(shí)施通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃，旨在積極開(kāi)發(fā)多用途、4000 h壽命和便于維修的核心機(jī)。從以核心機(jī)為基礎(chǔ)派生發(fā)展的設(shè)計(jì)概念，跨越到多用途核心機(jī)的設(shè)計(jì)概念，可在更寬廣范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)以核心機(jī)為基礎(chǔ)的派生發(fā)展，也反映美國(guó)對(duì)核心機(jī)更加重視。

3 F119核心機(jī)研制技術(shù)思路及途徑

3.1 預(yù)研核心機(jī)技術(shù)驗(yàn)證

1975年，在F100發(fā)動(dòng)機(jī)定型后，普惠公司啟動(dòng)了新一代發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)部件技術(shù)研究計(jì)劃，隨后又進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證核心機(jī)和技術(shù)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)研究。在針對(duì)第四代發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用開(kāi)展的ATEGG計(jì)劃中提出的目標(biāo)是：通過(guò)提高渦輪工作溫度，使推重比增加25%；采用對(duì)轉(zhuǎn)方式，使耗油率降低7%；同時(shí)采用先進(jìn)的材料與結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速來(lái)使壽命周期費(fèi)用減少25%。在ATEGG耐久性驗(yàn)證核心機(jī)上，開(kāi)展了6級(jí)高壓壓氣機(jī)、浮動(dòng)壁燃燒室和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)驗(yàn)證[3]。

3.2 型號(hào)核心機(jī)研制思路

F119核心機(jī)采用常規(guī)設(shè)計(jì)，通過(guò)在關(guān)鍵部件上引入先進(jìn)成熟技術(shù)來(lái)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，避開(kāi)研制新概念核心機(jī)帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單、耐用，遵循采用成熟技術(shù)的基本原則，延續(xù)穩(wěn)健發(fā)展的技術(shù)路徑。F119在性能上較前一代發(fā)動(dòng)機(jī)F100有較大提高，在幾輪設(shè)計(jì)迭代中，也采用了一些以前發(fā)動(dòng)機(jī)中未采用的新技術(shù)，但由于有充分的前期驗(yàn)證，因此其可靠性比F100要高很多。

F119核心機(jī)的設(shè)計(jì)從PW5000(XF119)的初始方案到最終的設(shè)計(jì)定型，期間是一個(gè)不斷迭代、動(dòng)態(tài)發(fā)展完善的過(guò)程。為滿(mǎn)足軍方飛行驗(yàn)證要求，普惠公司在XF119核心機(jī)上做了如下改動(dòng)：壓氣機(jī)前幾級(jí)上改用阻燃Alloy C鈦合金，以減輕重量，提高耐久性和安全性；高壓渦輪工作葉片葉尖增加耐磨涂層，以提高性能和耐久性。后期又對(duì)YF119壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)作了改進(jìn)，整個(gè)壓縮系統(tǒng)均采用整體葉盤(pán)。

在F119核心機(jī)的設(shè)計(jì)完善過(guò)程中，最大特點(diǎn)是依托美國(guó)同期開(kāi)展的各項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃。隨著綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃的進(jìn)行，經(jīng)驗(yàn)證的研究成果逐步應(yīng)用到F119核心機(jī)上。

在F119工程制造與發(fā)展(EMD)階段，發(fā)現(xiàn)第四級(jí)整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)的抗外物損傷的損傷容限裕度不足，重新設(shè)計(jì)既耗時(shí)又昂貴(約需1000萬(wàn)美元)。為滿(mǎn)足F-22的性能要求，需將臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子提高三倍。2000年，高周疲勞科技計(jì)劃中，在XTE65/3上驗(yàn)證了激光沖擊強(qiáng)化(LSP)技術(shù)修復(fù)整體葉盤(pán)的能力。此后，LSP技術(shù)又在F119第1級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤(pán)上驗(yàn)證達(dá)標(biāo)，并于2003年3月轉(zhuǎn)化到普惠公司F119生產(chǎn)型中(圖1)。該技術(shù)能降低整體葉盤(pán)50%的成本，延壽5倍[11]。

圖1 LSP技術(shù)在F119核心機(jī)整體葉盤(pán)上的應(yīng)用Fig.1 Application of laser sheek peening on F119 core blisk

3.3 定型后核心機(jī)改進(jìn)改型衍生發(fā)展思路

成功研制出性能卓越的四代機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后，將型號(hào)核心機(jī)作為先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，成為了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要途徑。作為IHPTET計(jì)劃的子計(jì)劃，惠普公司主承的部件和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)評(píng)估研究(CAESAR)計(jì)劃始于1992年。該計(jì)劃以F119核心機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三方面的目的：①驗(yàn)證用新材料設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試部件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；②評(píng)定新材料和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的壽命；③驗(yàn)證可轉(zhuǎn)化用于先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在CAESAR驗(yàn)證核心機(jī)上，開(kāi)展了顫振試驗(yàn)、某些環(huán)境試驗(yàn)及驗(yàn)證IHPTET的第1階段關(guān)鍵目標(biāo)。CAESAR發(fā)動(dòng)機(jī)總共完成了1500個(gè)累積循環(huán)，在F119核心機(jī)上成功進(jìn)行了如下技術(shù)轉(zhuǎn)化驗(yàn)證：超冷渦輪葉片和導(dǎo)葉、沖擊氣膜冷卻浮動(dòng)壁瓦片及高壓壓氣機(jī)刷式封嚴(yán)(圖2)。其中，僅超冷葉片一項(xiàng)，就可在冷卻氣流量不變的條件下使渦輪葉片壽命延長(zhǎng)2～5倍，或在壽命不變的條件下提高渦輪進(jìn)口溫度200℃，從而使推力增加20%[12]。

在實(shí)際應(yīng)用中，水合熱法成為目前制備納米MoS2最常見(jiàn)的一種方法，且其制備出的MoS2納米微球尺寸較小，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性能。

圖2 CAESAR技術(shù)驗(yàn)證Fig.2 CAESAR technology demonstration

美國(guó)以F119核心機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，持續(xù)研究用于下一代軍機(jī)的PW7000發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。跟蹤研究表明，以F119核心機(jī)為基礎(chǔ)，可擴(kuò)展應(yīng)用到遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、超聲速巡航攻擊平臺(tái)、有人和無(wú)人駕駛超聲速巡航偵察機(jī)及渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。

4 核心機(jī)發(fā)展新趨勢(shì)

VAATE計(jì)劃將多用途核心機(jī)作為其三大重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，期望渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)能在性能和采辦費(fèi)用本上取得突破性進(jìn)步。這一理念代表了未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，當(dāng)前普惠公司核心機(jī)的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略跨越至多用途核心機(jī)層面。而采用多用途核心機(jī)最終可使發(fā)動(dòng)機(jī)上各主要部件的共用性達(dá)90%以上，實(shí)現(xiàn)減重和降低成本的目的。同時(shí)，此技術(shù)的發(fā)展思路，也使得F119的核心機(jī)通過(guò)改進(jìn)更加成熟。

4.1 多用途核心機(jī)

多用途核心機(jī)，也稱(chēng)為共用核心機(jī)。與簡(jiǎn)單的核心機(jī)系列化不同，其針對(duì)的是不同的應(yīng)用機(jī)型，強(qiáng)調(diào)通過(guò)開(kāi)展獨(dú)立于飛機(jī)系統(tǒng)的核心機(jī)計(jì)劃，設(shè)計(jì)、研制并使一臺(tái)先進(jìn)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)成熟，以應(yīng)用在不同飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)以核心機(jī)為基礎(chǔ)的派生發(fā)展。

多用途核心機(jī)可大大降低武器系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用。普惠公司研究表明，與全新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，從多用途核心機(jī)派生發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期短、風(fēng)險(xiǎn)低，可盡早獲得成熟的技術(shù)并提高耐久性，且研制成本可降低60%[13]。

雖然多用途核心機(jī)方案可明顯降低成本，但其技術(shù)思路是否可行，還應(yīng)考慮諸多因素。其中最關(guān)鍵的是物理構(gòu)造區(qū)別要極小，不需要重新研制核心機(jī)來(lái)驗(yàn)證熱端部件的耐久性。具體指導(dǎo)原則有[13]：①壓氣機(jī)增減一級(jí)，能基本保持相同的壓氣機(jī)出口換算流量；②渦輪流場(chǎng)的差異較小(可通過(guò)導(dǎo)向器或其它技術(shù)來(lái)調(diào)整)；③可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉或壓氣機(jī)靜子布局要不同。

此外，多用途核心機(jī)是否可行，還要探討如下兩個(gè)問(wèn)題：①一定尺寸的核心機(jī)，在不引起系統(tǒng)重量增加和性能損失的前提下，能否滿(mǎn)足不同飛機(jī)應(yīng)用需求；②某核心機(jī)在應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、攻擊機(jī)和教練機(jī)時(shí)，能否達(dá)到重量、性能、耐久性和可靠性的適度平衡。

4.2 普惠公司的多用途核心機(jī)技術(shù)研究

從經(jīng)濟(jì)性而言，多用途核心機(jī)可能是更好的解決方案。在設(shè)計(jì)轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，綜合考慮二者最大的任務(wù)循環(huán)限制，再分別選擇合適的低壓方案與共用核心機(jī)匹配，以得到最優(yōu)的涵道比(對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī))和總壓比。從研制觀點(diǎn)來(lái)看，此種方式可行，只需核心機(jī)的設(shè)計(jì)考慮到二者混合時(shí)最?lèi)毫拥娜蝿?wù)循環(huán)。由此派生的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)還要在其各自的任務(wù)循環(huán)下做廣泛的試驗(yàn)。必須強(qiáng)調(diào)的是，只有在折衷相對(duì)較小時(shí)(主要是重量方面)，可采用共用核心機(jī)途徑。

如圖3所示，惠普公司曾開(kāi)展的多用途核心機(jī)研究中采用F119核心機(jī)作為基準(zhǔn)核心機(jī)，推力覆蓋范圍為2940～12740 daN，可用于戰(zhàn)斗機(jī)、教練機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等六類(lèi)飛機(jī)。

通過(guò)增加適當(dāng)?shù)牡蛪恨D(zhuǎn)子，相同的核心機(jī)可派生出具有卓越巡航耗油率的亞聲速、大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，或是超聲速高推重比加力發(fā)動(dòng)機(jī)。圖3中采用共用核心機(jī)壓氣機(jī)的進(jìn)口換算流量為24.8 kg/s，壓比7.5，燃燒室出口溫度1537.8℃。在高壓壓氣機(jī)前增加一級(jí)增壓級(jí)，可派生出3087～3969 daN推力(帶加力)級(jí)的單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，用于超聲速戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)或教練機(jī)。將增壓級(jí)替換成直徑較小的多級(jí)低壓轉(zhuǎn)子，使推力加倍，發(fā)展成渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，可配裝超聲速V/STOL B(垂直/短距起降轟炸機(jī))或CTOL(常規(guī)起降)。若將風(fēng)扇尺寸稍微增大，可進(jìn)一步增加推力，得到小涵道比(0.6～0.8)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，用于超聲速V/STOL B。采用大尺寸風(fēng)扇，再加一個(gè)多級(jí)低壓壓氣機(jī)，可發(fā)展成推力達(dá)12740 daN的大涵道比(4～6)先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，用于運(yùn)輸機(jī)。采用更大尺寸的風(fēng)扇可得到極高涵道比(8～12)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，用于V/STOL A(垂直/短距起降攻擊機(jī))。同樣，GE公司也是采用此種發(fā)展思路，利用GE23先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的預(yù)研核心機(jī)，開(kāi)發(fā)出了推力范圍為3920～14700 daN的系列發(fā)動(dòng)機(jī)(表1)。

圖3 多用途核心機(jī)Fig.3 Versatile core engine concept

表1 GE23預(yù)研核心機(jī)派生發(fā)展型號(hào)Table 1 Derivative engines based on GE23 core

5 結(jié)束語(yǔ)

一直以來(lái)，國(guó)外都高度重視核心機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略，持續(xù)在技術(shù)驗(yàn)證核心機(jī)計(jì)劃上投資，保證了預(yù)研核心機(jī)計(jì)劃發(fā)展的連貫性。ATEGG計(jì)劃自1963年啟動(dòng)以來(lái)，至今已持續(xù)運(yùn)行了50多年。F119核心機(jī)的發(fā)展正是建立在充分核心機(jī)技術(shù)驗(yàn)證基礎(chǔ)之上，適時(shí)將核心機(jī)計(jì)劃中產(chǎn)生的創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，使得到驗(yàn)證的新技術(shù)能迅速在型號(hào)產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。

VAATE計(jì)劃已將多用途核心機(jī)列為三大協(xié)作重點(diǎn)領(lǐng)域之一，且從普惠公司案例和GE公司的型號(hào)實(shí)證分析可見(jiàn)，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)研發(fā)已呈現(xiàn)出多用途發(fā)展趨勢(shì)。核心機(jī)發(fā)展從簡(jiǎn)單的系列化上升到多用途層面，可在更廣范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的派生發(fā)展。

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