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为何阵风M88发动机以1577℃的涡轮前温度却只换来了75千牛推力?

法国在喷气式发动机方面的基础并不差,早在1921年,法国人马克西姆·纪尧姆就获得了第一个轴流式喷气发动机的专利,没有充分的理论和实验条件,是不可能取得这样的研究成果的。1945年,主导BMW03喷气式发动机项目的奥斯特里奇与众多杰出科学家和工程师去了法国,这为法国喷气发动机奠定了雄厚的基础。

BMW03发动机

但法国毕竟只是一个中等国家,实力有限,只能集中力量研制一个系列的喷气式发动机,所以选择什么样的技术路线就非常重要。但法国人认为自身基础相对薄弱,而双转子涡喷发动机结构又太复杂,难于制造和调试,不容易保证可靠性,最终选择了相对简单,技术要求较低的单转子路线。这在当时固然有一定的合理性,但却缺乏前瞻性,相对于单转子和三转子,性能均衡的双转子结构后来被证明是现代喷气式发动机的主流方向。

最初法国航空发动机的发展还一度非常顺利,研制了成熟的阿塔系列涡喷发动机,还在此基础上改进出了M53发动机,除了耗油量大之外,总体上并不比英国的斯贝MK202差,且更加简单可靠。但单转子路线毕竟背离了世界航空动力的主流,法国人逐渐陷于了双转子和涡扇发动机总体技术上双重落后的局面。

因油耗较大,装备M53发动机的幻影2000作战半径有限

于是,法国人开始想方设法“傍”英美这样的航空发动机巨头。英国也是一个中等国家,无力同时研制两个系列的航空发动机,需要一个合作伙伴联合开发用于教练/攻击机的小推力涡扇发动机。两国一拍即合,法国得以与英国罗罗公司联合研发阿杜尔双转子涡扇发动机,罗罗公司负责燃烧室、涡轮等热端部件,法国负责压气机等冷端部件。这项合作极大提高了法国人双转子发动机的设计水平。阿杜尔发动机的单晶涡轮叶片也让法国接触到了领先者的技术。

法美联合研制的美洲虎攻击机用的就是阿杜尔发动机

但美国人可就没有那么好说话了,它是超级大国,财大气粗,发动机研制的谱系非常全面,并不需要法国的合作。因此,一开始法国遭到了冷落。但美国在地缘政治方面却需要法国的支持,再加上合作伙伴美国通用动力公司的极力游说,美国政府最终批准了美法合作的CFM项目。该项目是在F101核心机技术的基础上,为适应20世纪80年代以后国际民航市场的需要而研制的100kN级高涵道比涡扇发动机。斯奈克玛公司在双方合作过程中用特殊手段得到了F101的核心机GE9及其演化型号E88的技术,M88发动机的起源可以说很大程度来源于此。

装备M88发动机的阵风战斗机

因此为了达到性能指标,弥补总体设计水平的不足,M88采取了两项“亡羊补牢”的措施:

一是提高涡轮前温度。M88采用了单晶涡轮叶片和粉末冶金盘,获得了高达1577℃涡轮前温度,这不仅高于同类中等推力发动机和90年代初的大推力发动机,甚至和某些下一代大推力发动机相同,AL-31F发动机的涡前温度为1391℃。一般说来,涡前温度每提高100℃,发动机推力就增加20%——25%,热效率就提高8%。但一味提高涡轮前温度,将对发动机热端部件的寿命造成影响,缩短翻修间隔时间。因此,直到2001开始大规模生产时,M88—2E4的初始检修间隔才达到800~1000小时。

二是减重。M88采用了PMR15热固性聚酰亚胺树脂材料制造外涵机匣,其尾喷管的鱼鳞片也采用树脂基复合材料制造,非金属复合材料与钛合金相比,重量可减轻23%~30%,最终M88—2E4的推重比达到了8.5。

M88发动机

虽然双转子设计可以使低压涡轮的转速比高压涡轮低,由低压涡轮带动的风扇直径可以做得大一些,但也许是迷恋M53的高单位面积推力,M88的涵道比依然不大。

且因长期局限于单转子结构,法国对复杂涡扇发动机的独立设计水平仍然较低,压气机方面尤其如此,M88采用了3级风扇与6级高压压气机的结构,二者压比分别为4与6.125,总压比24.5,处于偏低水平,这很可能源于M88提高喘振裕度的办法仍然局限于M53的级间放气。

最终尽管M88各项参数的推力仅75千牛,还比不上RD33的81千牛,M88—2E4的推重比依然落后EJ200,相比F404与RM12提高的也很有限。除了涡轮前温度外,更是全面落后于新一代大推力涡扇发动机。由此可见,法国总体设计水平上的欠缺,严重制约了M88的性能。

M88推力不足仍然是阵风的一大短板

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