太行发动机-概述

国产太行发动机

太行发动机也叫涡扇10系列发动机是在八十年代初期，中国航空研究院606所(中国航空工业第一集团公司沈阳发动机设计研究所)面对中国航空界的严峻局面，国家于八十年代中期决定发展新一代大推力涡扇发动机，涡扇10A正随歼十的预生产型进行边试飞边定型试验，2004年能够随歼十正式生产定型，2005年随机大批量入役。因七十年代上马的歼九、歼十三、强六、大型运输机等项目的纷纷下马，与之配套的研发长达二十年的涡扇六系列发动机也因无装配对象被迫下马，令人扼腕，而此时中国在航空动力方面与世界发达国家的差距拉到二十年之上。面对中国航空界的严峻局面，国家于八十年代中期决定发展新一代大推力涡扇发动机，这就是涡扇10系列发动机。

太行发动机-主要型号

依据装配对象的不同，涡扇10系列有涡扇10、涡扇10A、涡扇10B、涡扇10C、涡扇10D等型号，其中涡扇10A是专门为中国为赶超世界先进水平而上马的新歼配套的。中国为加快发展涡扇10系列发动机，采取两条腿走路方针。一是引进国外成熟的核心机技术。中美关系改善的八十年代，中国从美国进口了与F100同级的航改陆用燃汽轮机，这是涡扇10A核心机的重要技术来源之一;二是自研改进。中国充分运用当时正在进行的高推预研部分成果(如92年试车成功的624所中推核心机技术，性能要求全面超过F404)，对引进的核心机加以改进，使核心机技术与美国原型机发生了较大变化，性能大为增强。

太行发动机-原理结构

主要原理

国产太行发动机

涡扇10/10A是一种采用三级风扇，九级整流，一级高压，一级低压共十二级,单级高效高功高低压涡轮，即所谓的3+9+1+1结构结构的大推力高推重比低涵道比先进发动机。黎明在研制该发动机机时成功地采用了跨音速风扇;气冷高温叶片，电子束焊整体风扇转子，钛合金精铸中介机匣;，挤压油膜轴承，刷式密封，高能点火电嘴，气芯式加力燃油泵，带可变弯度的整流叶片，收敛扩散随口，高压机匣处理以及整机单元体设计等先进技术。涡扇10A的制造工艺与 F100、AL-31F相似，十分先进，外涵机匣利用中推部分先进技术采用高性能的聚酰亚树脂复合材料，刷式密封，机匣所用材料与美制F414相似，电子束焊接整体涡轮叶盘，超塑成形/扩散连接四层风扇导流叶片，钛合金宽弦风扇空心叶片，第三代镍基单晶高温合金，短环燃烧室，收扩式喷口，全权限电子控制技术，结构完整性设计，发动机制造和设计十分先进，不亚于世界同时期先进水平。其中涡轮叶片采用定向凝固高温合金先进材料，无余且精铸和数控激光打孔等先进工艺，以及对流、前缘撞击加气膜“三合一“多孔回流复合冷却先进技术，使涡轮叶片的冷却效果提高了二倍，而且耐5000次热冲击试验无裂纹发生。涡扇 10的涡轮叶片虽然是定向结晶的DZ125，但采用了我国独创的低偏析技术，其综合性能可以和第一代的单晶高温合金媲美。涡扇10的性能为：空气进量 100kg/sec，涡轮前温度为1700-1750k，涡扇10加力风扇的性能的一些主要数据为如下：高、低转子的转速分转别是13 kr/min，16.2 kr/min，涵道比0.5，增压比30，323 m/s和334 m/s，空流量M=100 kg/s，主燃烧室及加力燃烧室供油量分别为2.6 kg/s,2.85 kg/s。最大推力73.5kn，加力最大推力110kn。涡扇10装有无锡航空发动机研究所研制的FADEC。

技术结构

涡扇10涡轮装置DD3镍基单晶高温合金涡轮叶片是确定的事，7.5末期的DZ-4是定向凝固高温合金。定向凝固高温合金藉由柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝凝固方向平行涡轮叶片运转产生的离心力。但其最大缺点是，涡轮叶片有中空部分，某些部位壁薄，在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝，使得制造上受到限制。至于镍基单晶合金，在镍的Gamma固溶态中，有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态，只要将这种结晶单晶化，在定向凝固合金中，增加 Gamma基本态，提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的，DD3可能是第一代。

由于运用了高推预研的先进成果，涡扇10A的三级低压压比甚至比AL―31F的四级低压部分还要高，九级高压，压比12，效率85%，总压比、效率、喘震余度高于AL―31F，总压比与F110相似，达30以上,涡轮前温度为1747K，推质比为7.5(国际标准，非俄式标准)，全加力推力为 13200千克，重量比AL―31F要轻。相比之下，AL―31F涡轮前温度只有1665K，推质比7.1(国际标准，俄式标准为8.17)，全加力推力12500千克;F110的涡轮前温度为1750K，推质比为7.57(国际标准)，全加力推力为13227千克。总体比较，涡扇10A性能要远高于AL ―31F，与F110相似。其定型时间为2003年，服役时间为2005年。

太行发动机-设计理念

军用涡轮扇喷射引擎几乎都是双轴(dual-pool stage)，有四大部分(1)双轴系压缩机(dual-axial compressor)由低压压缩机(LPC)及高压压缩机(HPC)组成、(2)燃烧机、(3)双轴系涡轮，即高压涡轮(HPT)及低压涡轮(LPT)，(4)后燃器。设计高性能涡轮扇喷射引擎必须要注重以下三大问题：

国产太行发动机应用于战斗机

1、避免压缩机叶片因转速过，快造成压缩机后部各级堆积空气，或进气道气流畸变而导致的失速(compressor surge)，故须有各种纠正措施。举例说明，J79-GE-15涡喷发动机依赖调整高低二级压缩机转速比，让压缩机在任何情况下能够匹配。当后部阻塞时，应用前6级可变倾角静子叶片，调整角度以疏导气流。气流依序通过2级风扇、6级低压压缩机及7级高压压缩机，获得总压比17。千万记住，如何以最少的级数获得高压缩比，才是判断喷射发动机设计技术的重要指标。

2、减轻压缩机重量，以使离心力及大量施功于空气所生的机械负荷，不超过制造压缩机叶片所用合金所能承受的最大的机械强度。故前部压缩机叶片可用钛合金，后部压缩机叶片因温度升高必须用其他耐高温合金。

3、使涡轮工作更有效，以带动压缩机更快旋转。所以必须要产生让涡轮运转更快的高温气体，同时减轻涡轮自身重量。于是就须要提高涡轮进气温度，及应用高强度及更耐来制造叶片。对涡轮叶片性能影响最大的是高温合金的铸造技术。当然那根涡轮轴的加工精度也很重要，否则摩擦热会烧毁引擎。

太行发动机-技术指标

1、旁通比(BPR)= 旁通的气体质量 / 流进核心机的气体质量。高BPR意味著更少的空气流过核心机，所以提高总压缩比就越容易，这是涡扇喷射引擎的基本想法。根据推进效率，涡轮扇引擎在亚音速飞行中，BPR越大，燃油耗油率越低。另一方面，低BPR说明更多的空气流过核心机，在超音速飞行中，在加力状态下，低BPR能使单位流量推力增加，燃油耗油率降低。

2、总压缩比(TPR) = 压气机后出口压力 / 压气机前进口压力。高总压缩比使压气机和进气装置的调节成为必要，且越来越复杂。高总压缩比也使涡扇引擎的压气机稳定性裕度面临极大考验，压力越大越容易造成失速。所以远程轰炸机或民航机因为不须作激烈的机动，不需极复杂的调节装置，可由提高TPR，来降低燃油耗油率，增加航程。但对于战斗机，提高TPR 必须有节制。例如F119的TPR = 25，EJ200 TPR = 26。B 1引擎的TPR > 30。F100-PW-229受限于基本设计，将TPR从原来的25提高到34，推力增加但重量也增加，推重比不变。与其一味提高TPR，不如以最少的压缩级数来达到所需的压缩比。

3、前涡轮进气温度(TIT)，战机引擎的发展是通过提高TPR与TIT，来增加推力，降低燃油耗油率。TIT的提高，加上良好涡轮效率，高温气体足够有效带动涡轮的运动，所以涡轮级数可降低。在研制时，AL-31F超重，将均为二级的高低涡轮，各改为单级，导致涡轮效率比设计值低4%，通过提高TIT从1350C到1392C来补偿。BPR的选择与TIT的极限有密切关系，在相同的TIT限制下，例如1600~1700K的极限下，战斗机的 BPR应选择0.15~0.5之间，TPR = 20~30。

由于军用引擎设计参数不容易取得，但通过几个特徵约可一窥全貌：

推重比(T/W)，TIT，TPR，BPR

第一代涡轮喷射引擎的特征(用于Mig-17，Mig-19)：TIT ~ 1150K，TPR = 4~6。

第二代涡轮喷射引擎的特征(用于Mig-21)：TIT = 1200~1250K，TPR = 8~10。

第三代涡轮喷射引擎的特征(用于Mig-23)：TIT = 1400~1450K，TPR = 13~15，T/W = 5.5~6.5。

第四代涡扇喷射引擎的特征(用于F-16或Su-27)：TIT = 1600~1700K，TPR =20~25，BPR ~ 0.6，T/W ~8。

太行发动机-WS-6G发动机

WS-6G(在1982年试验达设计指标)的参数：TIT = 1473K、TPR = ~19、BPR = 0.62、T/W ~7。可见WS-6G的性能劣于第四代涡扇喷射引擎，但比第三代涡轮喷射引擎要好。WS-9的BPR=0.78，TPR=16.8 (compressor: 4 low pressure + 12 high pressure)。从设计指标看来，WS-6G比WS-9先进。与西方第四代涡扇喷射引擎相比，WS-6G设计之主要差距，表现在压缩机效率与涡轮叶片合金的性能。

WS-6G是典型缺乏市场观念，中央计划经济的产物。上面一声令下，科研人员只负责把东西研制出来。首先最大138kn推力量级本就与现实不符合，WS-6G 的最大推力应该是90~110kn量级才是，无论是单发或双发都适合。

发动机的好坏对飞行性能有极大影响。高BPR发动机高空高速性能不好，F100-PW-100的BPR为0.71，到了F100-PW-129 的BPR~0.6，到了F100-PW-229其各部件得到强化，BPR变成0.33，总压比达到34，改善高空高速性能及降低耗油率。以飞机持续转弯率来说，与速度成反比，与(n**2-1)**0.5成正比，n为过载因子。提高过载必须(1)低翼载，(2)高推力，(3)低零升阻力(简言之，非升力产生的阻力)与低诱导组力(因升力产生的阻力)。因为发动机推力与高度、速度有关，飞机能否飞出大过载，实际上受限于发动机的高空高速性能，这在超音速机动中尤其重要。

太行发动机-主要性能

涡扇10性能如何?对其设计可说一无所知。但燃气涡轮研究院有几篇研究报告，提到三级压气机，应指LPC。至于级压缩比未知，608所研制的 WJ9用来取代Y-12上P&W的PT-6A-27涡桨发动机，其单级轴流压缩比是1.51。以此水准计算，三级LPC可获得3.44的压缩比， AL-31F四级LPC获得3.6(级压缩比1.377)，印度GTX-35VS三级LPC为3.2(级压缩比1.474)。叶片的三维黏流体设计，631所与西北工业大学研究水准不差。GTX-35VS(3 LPC + 5HPC)的TPR~21，AL-31F的TPR~24(4 LPC + 9HPC)，F100-PW-100的TPR~25

AL-31FN涡扇发动机尾喷口内部结构

(3 LPC + 10 HPC)。最合理的推论是涡扇10的TPR约为在25。至于级数。涡扇10装有无锡航空发动机研究所研制的FADEC，AL-31F为机械液压系统，F100-PW-129装有FADEC。 燃烧器确定是短环喷雾式，与WP-13比，其长度可减少1/2。涡扇10涡轮装置DD3镍基单晶高温合金涡轮叶片是确定的事，7.5末期的DZ-4是定向凝固高温合金。定向凝固高温合金藉由柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝凝固方向平行涡轮叶片运转产生的离心力。但其最大缺点是，涡轮叶片有中空部分，某些部位壁薄，在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝，使得制造上受到限制。至于镍基单晶合金，在镍的Gamma固溶态中，有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态，只要将这种结晶单晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本态，提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的，DD3可能是第一代。

单晶涡轮叶片的意义是能忍受更高的前涡轮进气温度。也就是说，单级高压涡轮与单级低压涡轮就足以产生足够的效率，推动压气机的运转。而不需要像 F100-PW-100一般，用二级高低涡轮。F100的后续系列因受限于基本设计，无法更动，只能不断完善部件效率，提高性能。印度GTX-35VS也是采单级高低涡轮，其叶片是用定向凝固高温合金，后续发展型才用单晶涡轮叶片。

涡扇10的旁通比，如果TPR为25，那么旁通比约在0.5与0.6之间。更低的旁通比，表示要压缩更多的空气，难度越大，除非增加级数。换言之涡扇10的高空高速性能比AL-31F有提高。

涡扇10的推重比高于8应该没问题，与AL-31F比，因为涡扇10有比AL-31F更有效的压缩机，单晶涡轮叶片比AL-31F的涡轮叶片更能忍受高温，引擎控制系统也比较先进。总之，涡扇10的压缩机用多少级来产生多少的总压比是判断性能的关键。

网上经常有人将涡扇10与涡扇10A混淆，其实两者之间有本质的区别，最大区别就是核心机的不同，当然空气流入量、涡轮温度、推比、推力都不尽相同。其中涡扇10的全加力推力比涡扇10A的要小，涡扇10早在九十年代中期，就在歼十与SU―27上试验，该机已于2000年定型。涡扇10A于98年装在歼十上首飞，并进行过长达四十分锺的超音速试验，在2000年第一次装在SU―27上试验，在与AL― 31F混装试飞当中，曾发生空中熄火险情。涡扇10A正随歼十的预生产型进行边试飞边定型试验，估计2004年能够随歼十正式生产定型，2005年随机大批量入役。

太行发动机-研究背景

要了解涡扇10的性能，就必须了解其研制的背景、技术基础等情况。为此先分析涡扇10产生的背景。据信10号工程是1984年启动，估计与之配套的涡扇 10应当也应该是启动于1984年。以中国当时的技术，要独立自主地生产一种先进的高推重比、高推力的涡扇发动机应是相当不容易。一是涡喷-15，源于苏联的米格-23飞机，当时中国以20多架歼-6飞机从埃及换回了一架米格-23飞机，自然也掌握了其P-29-300发动机(中国编号WP-15)，该机推力12500公斤，自重1923公斤，推重比6.5。二是从英国引进的斯贝军用发动机技术，推力9325公斤，自重1857公斤，推重比5.02。三是从美国引进的CFM-56民用发动机，推力10886公斤，自重2005公斤，推重比5.4。四是中国自行研制的WS6G发动机，推力14000公斤，自重2000公斤，推重比7。这几种发动机都在10000公斤级，重量也在1900-2000公斤左右，都可以做为涡扇10的核心机。这是还要特别介绍一个CFM-56民用发动机。

中华人民共和国正等待批准向它出口两台CFM-56II型涡轮风扇发动机，然后再开始核准一项计划，根据这项计划，中国可能将更换它的多达30多架的霍克德利飞机公司生产的三叉戟运输机的发动机。……国防部官员对可能向中国出售CFM-56II型涡轮风扇发动机表示关切，因为这种商用发动机的核心技术，同罗克韦尔国际公司制造的B-1B轰炸机所采用的通用电气公司生产的F-101-GE-102发动机是相同的。正是由于可能进行这种技术转让，以及中国人可能运用逆工程技术取得把同样技术应用到其他方面的能力，所以国防部官员建议不要批准颁发出口许可证。”尽管有人反对，但在中美蜜月的 80年代，美国政府最终还是批准了这项计划。

太行发动机-重要意义

国产太行发动机

对涡扇10的评价，综合WS-6G和CFM-56的技术和该试飞员的“坐骑”被人为安装了两个不匹配的发动机的情况来分析，涡扇10的推力应大于AL- 31F的12500公斤，估计在13000公斤左右，推重比应在7.5以上，技术上相当于国际上70年代中期的水平。估计比F-16、F-15早期型的 F100-PW-100要好。从“昆仑”研制成功到短时间内又研制成功“昆仑II”的情况来看，涡扇10定型后，估计两年内又会研制出性能更好的涡扇10 -II，推重比会大于8，推力可能会达到14000公斤左右，其生产型的涡扇10-II可望达到国际上80年代中期的技术水平。

歼十定型后的发动机乃是涡扇10A，不是什么AL―31F，所谓进口AL―31FN之说，是为沈飞歼11生产之用。歼十装备涡扇10A后，无论空战推重比、载弹量还是飞机的机动性、灵活性方面，其综合飞行性能要大大高于装备AL―31F的歼十。今后国产歼11也要装备涡扇10A，涡扇10A将成为我国歼十、歼11的标准发动机。涡扇10A经过严酷苛刻的国军标试验，其性能、寿命、可靠性要远远高于俄制标准的AL―31F，606所再彷制AL― 31F已没什么意义。606所对涡扇10A的评价，涡扇10A的研制成功将使中国航空动力事业达到发达国家的八十年代中期水平，在中国航空发动机发展史上具有里程碑式的重要意义。

太行发动机-奠基人物

自主研发

新中国成立60年来，中国的航空发动机走出了一条从测绘仿制、改进改型向自主研制转变的自强之路，成为世界上仅有的5个拥有自主研制航空发动机能力的国家。在这段光荣而沧桑的历史中，一个名字深深地镌刻在共和国的记忆中。他就是中国航空发动机科研事业的奠基人和开拓者——吴大观。他曾在学习笔记中写道：“在核心技术领域，一个伟大而自尊的民族决不能幻想别人的恩赐，自主创新之路，注定是一条艰辛之路，但更是一条希望之路。”正是这些话语点燃了中国航空事业的希望。航空发动机研制投入高、周期长，且技术研发难度大，因此在航空发动机领域，自主创新是一条艰苦卓绝的道路，更何况是在建国初期处于“一穷二白”的新中国。但吴大观却明知山有虎，偏向虎山行。吴大观很清楚，即使能从苏联引进发动机，但关键技术是学不到的，最终还是要靠自己进行自主研发。1956年9月，吴大观到沈阳黎明发动机制造厂出任新中国第一个发动机设计室主任。5年后，他在沈阳主持创建了我国第一个发动机设计研究所——国防部第六研究院航空发动机研究所。经过不懈的努力，1958年5月，由吴大观主持研制的中国第一台“喷发-1A”发动机试制成功并通过了20小时的长期试车。7月26日，我国装备着“喷发-1A”的“歼教-1”型飞机首次试飞成功。紧接着，1959年9月，吴大观带头设计、试制的“红旗2号”喷气发动机上台试车，为庆祝国庆10周年献礼。

吴大观给毛泽东主席汇报

自主创新

1978年，吴大观负责英国“斯贝”发动机专利技术的引进和试制工作。他要求所有派出学习的技术人员对于每天学习到的东西都要整理成文。回国后他组织大家对学习成果进行集中总结，并将经验总结编写成3册厚厚的技术书籍。2003年9月，正当“斯贝”发动机全面国产化进入关键时刻，突然发生了叶片断裂故障，已经87岁高龄的吴大观在关键时刻再次赶到，帮助和指导技术人员进行故障调查和实验分析，保证了第二台发动机顺利通过了验证试车。在吴大观的努力下，沈阳航空发动机设计研究所建成了我国第一个初具规模的航空发动机试验基地，组织设计和建造了新中国第一批试验设备。2005年，我国自主设计的第一台大推力涡扇发动机——“太行”实现设计定型，标志着中国航空发动机行业完成了由仿制、测绘仿制向自主研制、自行发展的转变，中国战机从此将实现第二代机到第三代机的跨越。此外，吴大观主持编写的《涡喷、涡扇发动机通用规范》和《涡桨、涡轴发动机通用规范》，于1987年经国防科工委批准并颁布试行，填补了我国航空发动机通用标准规范的空白。吴大观一生都在为航空发动机的自主创新而不懈努力。2009年3月18日，93岁的吴大观安详地闭上了眼睛。弥留之际，唯一让他牵挂的还是中国航空事业的发展。从青春少年到耄耋老人，吴大观毫不动摇地坚持走自主创新之路，满腔热忱地为祖国的飞机提供动力，给中国的战机装上“中国心”!