国产新型单晶涡轮叶片量产 或助FC31战机推力增加10%

万象 军情 2020-05-25 07:35

2018年珠海航展,中国相关单位曾经展出过用DD9研成的高压涡轮叶片,它采用了双层壁冷工艺,这也是高压涡轮叶片一个新工艺,它可以将冷却效率提高30%,大约相当于将涡轮前温度提高到330度左右。根据相关资料,DD9工作温度最高可以达到1120度,加上双层壁冷的330度,因此采用DD9研成的涡轮叶片可以承受1450度的高温,前面说过涡轮前温度提高50度,发动机推力可以增加10%,换句话说如果WS13换上DD9研成高压涡轮叶片,它的推力可以提高到9吨以上。

来源:小飞猪的防务观察

俄罗斯RD93发动机,国产WS13就是从它发展而来

近日有消息说成都航宇公司实现了国产单晶涡轮叶片批量生产,这种叶片可用于国产涡扇中推发动机。由此外界推测国产涡扇中推发动机已经或者即将批量生产,为国产作战飞机提供了又一颗强劲的中国心。

从相关资料来看,国产四代涡扇中推还在研制之中,实现批量生产可能性不大。比较接近的应该是三代涡扇中推-WS13增推型,它既可以用于F31鹘鹰战斗机,也可以用于枭龙三批战斗机。

涡扇发动机结构标意图,可以看到高压涡轮直接面对燃烧室冲出的高温高压燃气

现代航空发动机高压涡轮叶片采用单晶合金材料

众所周知,涡喷(扇)发动机推力来源于进、排气之间温度差。由于进气温度是一定的,因此要提高发动机推力就必须提高排气温度,国内外航空发动机技术人员认为排气温度提高50度,发动机推力就可以提高10%。不过这会产生一个问题,发动机自身运转也来自发动机排气,例如高压压气机由高压涡轮带动,风扇由低压涡轮带动。尤其高压温轮直接面对从燃烧室冲出的燃气,需要承受巨大的高温高压,加上自身高速旋转产生的应力,对于材料和工艺要求非常高。如果超过材料承受范围,就会生产叶片断裂,让发动机无法工作,所以现代喷气发动机有一个关键指标-涡轮前温度,指的就是高压涡轮能够承受的温度。

国产第一代单晶涡轮叶片

国产二代单晶高压涡轮叶片

叶片又是高压涡轮关键部件,从国内外先进航空发动机发展来看,单晶叶片由于优异的耐高温、抗蠕变、抗热疲劳、抗氧化性 以及抗腐蚀性等能力成为高压涡轮叶片的首选。所以现代航空发动机涡轮前温度很大程度就是由高压涡轮叶片或者说单晶材料决定的。WS13是俄罗斯RD93发动机仿制型号,后者又来源于RD33发动机。根据相关资料,RD33为了提高涡轮前温度就采用了单晶叶片,并且通过采用高效空气冷却措施大大提高了叶片温度耐受能力。通过采用新材料和工艺,RD33发动机涡轮前温度大为提高,达到了1407度,这个指标介于F404和F110发动机之间,前者涡轮前温度是1387度,后者是1427度。

国产第三代单晶涡轮叶片

国内从上世纪80年代开始发展单晶叶片,首先研制成功第一代国产单晶合金-DD3,在此基础上研制成功第一代单晶材料高压涡轮叶片,这是国产航空发动机技术一个突破。90年代又研制成功了综合性能优异的第二代单晶高温合金DD6,该合金拉伸、持久、蠕变、疲劳、抗氧化及耐热腐蚀性能等达到甚至部分超过了国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平。进入新世纪又研制成功第三代单晶合金-DD9, DD9 具有优良的综合性能,其拉伸性能与持久性能等达到了国外第三代单晶高温合金的水平,尤其需要指出的是它含铼量较低,而铼是稀有贵金属,价格和成本较高,所以DD9具备经济性好、成本低等优势。最新消息指国内相关单位已经完成第四代和第五代单晶合金研制,将会用于国产新一代航空发动机发展。

正在试飞的鹘鹰战斗机,它的发动机可能就是WS13增推型

2018年珠海航展,中国相关单位曾经展出过用DD9研成的高压涡轮叶片,它采用了双层壁冷工艺,这也是高压涡轮叶片一个新工艺,它可以将冷却效率提高30%,大约相当于将涡轮前温度提高到330度左右。根据相关资料,DD9工作温度最高可以达到1120度,加上双层壁冷的330度,因此采用DD9研成的涡轮叶片可以承受1450度的高温,前面说过涡轮前温度提高50度,发动机推力可以增加10%,换句话说如果WS13换上DD9研成高压涡轮叶片,它的推力可以提高到9吨以上。

枭龙三批战斗机可能也会配备WS13增推发动机

实际上WS13增加推力型提高推力采用了多种措施。例如风扇叶片前掠,这样可以提高叶片转速,减少激波损失,推迟气流分离,从而获得更多的空气。另外就是增加了涡轮前温度,进一步提高发动机推力。经过这些改进,WS13增加推力型加力推力应该可以超过9吨。这个指标可以初步满足FC31鹘鹰战斗机和枭龙三批战斗机要求,为飞机性能升级打下了坚实的基础。

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