[科普中國]-AL-31發(fā)動機

AL-31F第四代航空發(fā)動機是由俄羅斯留里卡"土星"科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動機。該聯(lián)合體前身是留里卡設(shè)計局，組建于1946年，是前蘇聯(lián)的主要戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計局。在上世紀60年代，留里卡研制了AL-21F系列渦輪噴氣發(fā)動機，其最大加力推力達11000daN。1970～1974年投入生產(chǎn)，廣泛用于蘇-17、蘇-20、蘇-22、蘇-24和米格-23戰(zhàn)斗機上。

介紹蘇-27系列飛機是當今世界上典型的第四代殲擊機，自該機問世以來，曾經(jīng)創(chuàng)造了快速爬高的多項世界紀錄，普加喬夫駕駛的蘇-27飛機還首創(chuàng)了著名的高難度"眼鏡蛇"機動飛行動作。據(jù)報道，早在1988年已估計有三四百架蘇-27戰(zhàn)機在蘇軍中服役。此后，該系列飛機不僅部署到獨聯(lián)體國家，而且還成功地出口到俄羅斯境外的包括印度和中國在內(nèi)的一些國家。這些業(yè)績的取得，都與該系列戰(zhàn)機的動力裝置AL-31F發(fā)動機有密切關(guān)系。AL-31F除了用在雙發(fā)布局飛機之上，還推出了可用在單發(fā)布局飛機上的改型發(fā)動機AL-31FN。作為中國空軍第四代戰(zhàn)斗機的唯一動力系統(tǒng)，AL-31系列發(fā)動機在中國空軍中扮演著至關(guān)重要的地位。因此，AL-31F的過去、現(xiàn)在和未來的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。

簡介AL-31F是由俄羅斯留里卡"土星"科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動機。該聯(lián)合體前身是留里卡設(shè)計局，組建于1946年，是前蘇聯(lián)的主要戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計局。在上世紀60年代，留里卡研制了AL-21F系列渦輪噴氣發(fā)動機，其最大加力推力達11000daN。1970～1974年投入生產(chǎn)，廣泛用于蘇-17、蘇-20、蘇-22、蘇-24和米格-23戰(zhàn)斗機上。在AL-21基礎(chǔ)上，1976年（另一說法是1973年）留里卡開始研制AL-31F發(fā)動機。1985年該發(fā)動機研制達標后，用于蘇-27、蘇-30和蘇-35戰(zhàn)斗機。

AL-31F的結(jié)構(gòu)形式是雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機。推力范圍：加力12250daN，中間7620daN。每臺價格300萬美元。AL-31F有一些改進型，其中包括帶矢量推力噴管的改進型AL-31FP發(fā)動機。

從總體上講，作為蘇-27戰(zhàn)機的專用動力裝置AL-31F發(fā)動機，其性能是優(yōu)良的，具有明顯優(yōu)勢。

（1）尺寸小，推力大。其渦輪具有有效的冷卻系統(tǒng)和良好的熱力學(xué)特性；壓氣機增壓快速，發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，保證飛機有較高的推力和良好的機動性。

（2）穩(wěn)定性高。可使用在蘇-27飛機的各種飛行高度和速度下，即使飛機在以M2的速度進入平螺旋、直螺旋、翻轉(zhuǎn)螺旋和進氣道喘振的情況下，發(fā)動機工作仍然極其穩(wěn)定。喘振消除系統(tǒng)、空中自動點火系統(tǒng)、主燃燒室和加力燃燒室的再次啟動系統(tǒng)等可保證在使用機載武器時動力裝置的工作可靠性。

（3）維修簡便。該發(fā)動機采用單元體結(jié)構(gòu)，由14個單元體組成，因此，如果出現(xiàn)某些損壞，不需要全部更換，只替換下有故障的單元體即可。這樣，在使用條件下進行發(fā)動機維修時，可更換其中的6個單元體。

（4）使用壽命長。AL-31F可根據(jù)其技術(shù)狀況而使用，只要發(fā)動機還正常，就可以一直使用下去，而現(xiàn)代化水平的診斷設(shè)備可保證飛行安全。但其使用壽命也有一個限度，一般認為該發(fā)動機第一次維修前的使用壽命可達1000h，總使用壽命應(yīng)該不少于10年。

技術(shù)數(shù)據(jù)最大加力推力 12258

中間推力(daN) 7620

加力耗油率[kg/(daN·h)] 2.00

中間狀態(tài)耗油率[kg/(daN·h)] 0.795

推重比 8.17(按前蘇聯(lián)關(guān)于發(fā)動機干質(zhì)量標準)

7.14(按國際上一般規(guī)定計算)

空氣流量(kg/s) 112.0

涵道比 0.60

總增壓比 23.8

最大直徑(mm) 1300

1750 (按國際上一般規(guī)定)

結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進氣口

進氣機匣為全鈦結(jié)構(gòu)，有23個可變彎度的進口導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片前緣固定，由來自高壓壓氣機第7級的空氣防冰，后部則為可調(diào)葉片。整個風(fēng)扇為全鈦結(jié)構(gòu)。前3級轉(zhuǎn)子葉片帶有阻尼凸臺。整個風(fēng)扇轉(zhuǎn)子用電子束焊焊為一個整體構(gòu)件。第4級轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)的外機匣上，帶有機匣處理環(huán)腔，開有400個斜槽，用以提高風(fēng)扇的穩(wěn)定工作裕度。第4級出口整流葉片為雙排的串列葉柵。

高壓壓氣機

9級軸流式。第1～3級盤用電子束焊焊在一起，而第4～6級盤同樣用電子束焊焊為一個整體。第7～9級則為單盤，而用長螺栓與6級盤連在一起，第1～6級盤為鈦合金構(gòu)件，第7～9級則用耐熱合金制成。第1～5級轉(zhuǎn)子葉片用鈦合金制成，第6～9級轉(zhuǎn)子葉片用耐熱合金制成。所有9級的榫頭均為環(huán)形燕尾槽式榫頭。進口導(dǎo)流器和1級導(dǎo)流器均由鈦合金制成并裝在一個由鈦合金制成的前機匣上。進氣導(dǎo)流器和第1～2級導(dǎo)流器，共三排是可調(diào)的。1～8級導(dǎo)流器均為懸臂式結(jié)構(gòu)，出口導(dǎo)流器也是雙排串列葉柵。

燃燒室

環(huán)形。有28個雙油路離心式噴嘴，兩個點火裝置和半導(dǎo)體電嘴。

渦輪

高低壓渦輪均為單級。高壓渦輪導(dǎo)向器共有14組，每組3個葉片。高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片共90片，不帶冠，榫頭處帶有減振器。低壓渦輪導(dǎo)向器共11組，每組亦為3個葉片。轉(zhuǎn)子葉片亦為90片，帶冠。低壓渦輪軸的特點是前后分為三段，前、后段由耐熱不銹鋼制成，中段由鈦合金制成，三段間以“叉型”結(jié)構(gòu)用徑向銷釘連為一體。高、低壓渦輪的4排葉片均為氣冷式葉片，總冷氣量占內(nèi)涵空氣流量的17.5%，其中直接引自第二股氣流的為7.5%，主要冷卻高壓渦輪導(dǎo)向器前緣等處，另一股氣流為8.9%，自燃燒室機匣外壁處引出，經(jīng)設(shè)置在外涵流路中的空氣－空氣換熱器冷卻，可使冷卻空氣降溫125～210℃，這些空氣中，占內(nèi)涵流量的6.4%經(jīng)高壓導(dǎo)向器的中腔進入，除用于冷卻導(dǎo)向葉片外，有4.6%進入高壓渦輪盤前，并有3.2%的空氣用于冷卻高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片用外涵空氣進行冷卻。冷氣經(jīng)渦輪后機匣支板引入內(nèi)部，經(jīng)低壓渦輪盤上的一些徑向斜孔的泵效應(yīng)增壓，再進入低壓渦輪葉片。

加力燃燒室

進口處有混合器，分5區(qū)供油，其中第5區(qū)為加力起動區(qū)，采用“熱射流”方式點火?；鹧娣€(wěn)定器有3圈“V”形穩(wěn)定器，并有一些徑向傳焰槽。防振措施為全長防振屏并在內(nèi)尾錐處開有大量的防振孔。

尾噴管

收斂－擴張式噴口，各有16個調(diào)節(jié)片和封嚴片。收斂噴口靠16個液壓作動筒操縱，擴張噴口則靠16個周向氣壓作動筒形成的環(huán)形“束帶”固緊，隨著噴口落壓比的變化，靠氣動力作動改變噴口的出口截面面積。

控制系統(tǒng)

基本部分為機械－液壓系統(tǒng)，包括主泵－主調(diào)節(jié)器、加力泵和加力供油和噴口控制等主要附件。還具有稱為綜合控制器的模擬式電子控制裝置，控制發(fā)動機的主要工作狀態(tài)的極限值，并有其他多種功能。當電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，便自動轉(zhuǎn)換由機械－液壓系統(tǒng)控制。還具有多項參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，以及前蘇聯(lián)發(fā)動機特有的防喘系統(tǒng)和渦輪冷卻氣控制系統(tǒng)等。

發(fā)動機AL-31F本來是雙發(fā)布局的蘇-27系列戰(zhàn)斗機的專用發(fā)動機，為使它能在中國空軍的殲10戰(zhàn)斗機上使用，留里卡設(shè)計局"禮炮"（Salut）公司幾年前推出了AL-31F的改型發(fā)動機AL-31FN。該型發(fā)動機的特別之處是：將發(fā)動機附件傳動箱從附著在發(fā)動機上面，移到附著在發(fā)動機的下面，而飛機附件傳動機匣還是安裝在發(fā)動機上面。這樣處置是為了滿足客戶要求。

從俄羅斯"禮炮"公司2002年11月提供的資料來看，由俄方改型專供出口的AL-31FN發(fā)動機性能、尺寸和質(zhì)量的數(shù)據(jù)，與原型的AL-31F發(fā)動機只有很少的區(qū)別。

由于從雙發(fā)配置改為單發(fā)配置的飛機使用，發(fā)動機附件得以簡化，又由于AL-31FN發(fā)動機拆去了內(nèi)外涵流道的分流隔板，使得發(fā)動機重量減輕了一些。但由此帶來的一些負面影響，仍有待深究。另一不足之處是AL-31FN的燃油消耗率也略有提高，因此，AL-31F系列發(fā)動機仍有性能改進的必要。

發(fā)展思維AL-31F發(fā)動機已經(jīng)生產(chǎn)20多年了。上世紀90年代，"禮炮"公司把頭幾批AL-31F提供給前蘇聯(lián)空軍，安裝在雙發(fā)布局的蘇-27型殲擊機上。盡管"禮炮"公司進行了產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、預(yù)防檢修和定期維護，但是維修措施并不能保障該發(fā)動機永久使用。因此，為了適應(yīng)新世紀的戰(zhàn)爭環(huán)境，"禮炮"公司在本世紀初已建議俄國空軍按三個階段改進AL-31F發(fā)動機。

1.第一階段

第一階段的改進已經(jīng)完成，只改變了"通風(fēng)機"--風(fēng)扇的兩端部件,推力提高了600～700kg。2002年1月，該改型在兩架蘇-27飛機上進行了綜合飛行試驗，第二架飛機用于進行國家試驗，2002年12月按計劃結(jié)束。飛行研究結(jié)果證實了初始計算指標，即安裝有兩臺AL-31F-M1改進型發(fā)動機的蘇-27飛機，在11000m高度上從300km/h加速到1200km/h飛行速度的時間比原型飛機減少了26s。由此，可使飛機在空戰(zhàn)中更具有加速性好的優(yōu)勢。

2.第二階段

按計劃應(yīng)在2003年末～2004年第一季度結(jié)束。其質(zhì)變的改進將涉及到渦輪機、燃燒室、冷卻系統(tǒng)。

3.第三階段

有原則性變化：安裝俄羅斯第五代發(fā)動機零件。其中如把第一改進階段上使用的四級壓縮風(fēng)扇換成大行程葉片的"通風(fēng)機"，葉片與葉輪合為一體。經(jīng)過第三階段改進后，發(fā)動機推力將增加到14600kg，使蘇-27飛機的性能大大改善，而發(fā)動機的保險壽命和規(guī)定壽命并沒有改變。改進型AL-31F-M1發(fā)動機與現(xiàn)役的AL-31F發(fā)動機完全可以互換 值得關(guān)注的是，俄領(lǐng)土上幾乎沒有高海拔機場，而使用蘇-27型系列飛機的其他國家有這種機場，其海拔在3500m左右。AL-31F原型發(fā)動機的啟動機只能在海拔2500m以下起作用。為此，"禮炮"公司研制了能在海拔3500m以上啟動發(fā)動機的啟動機。它與現(xiàn)役的啟動機完全可以互換，并已通過了俄國家試驗。

另外，"禮炮"公司還可提供適用于單發(fā)飛機上的帶可控推力矢量噴口的AL-31F改進發(fā)動機。該噴口已進行了400h的單獨調(diào)試和特種試驗，近期還將進行帶有這種噴口發(fā)動機的500h內(nèi)的長期試驗。

AL-31F的電子控制系統(tǒng)的研制工作正與發(fā)動機改進工作并行開展。

探討綜上所述，對于蘇-27系列戰(zhàn)斗機而言， AL-31F發(fā)動機無疑是一臺優(yōu)秀的第四代軍用渦扇發(fā)動機，由于它在蘇-27及其改進型蘇-30MK、蘇-33和蘇-35等型號上的采用，預(yù)計該型號的改進型發(fā)動機直至2015年左右仍可在國際軍機發(fā)動機市場中占有一席之地。如果上述的三個階段的改進計劃都能順利完成，AL-31F系列發(fā)動機在國際市場上將具有較強競爭力。

但是作為國際上第四代發(fā)動機，AL-31F仍有多項參數(shù)指標不盡如人意。從表2的比較中，不難看出，為了適應(yīng)21世紀的戰(zhàn)爭環(huán)境，早期的AL-31F發(fā)動機已非改進不可，而推重比和啟動機的啟動海拔高度偏低則是它的最主要問題。

有關(guān)資料表明，俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機性能和使用壽命與歐美國家同一代發(fā)動機相比有一定的差距。以美國普·惠公司仍在生產(chǎn)的F100系列渦扇發(fā)動機為例，它于1970年3月開始全面研制，1974年11月交付空軍使用，主要裝備F-15和F-16飛機，是世界上最早投入使用的推重比達8的軍用發(fā)動機。

AL-31F與F100-PW-229同為國際上第四代戰(zhàn)斗機的渦扇發(fā)動機，相比之下，在發(fā)動機設(shè)計參數(shù)的選擇中，F(xiàn)100-PW-229比AL-31F要略勝一籌，也就是說，俄制AL-31F發(fā)動機在總增壓比、中間耗油率、涵道比、質(zhì)量，乃至控制系統(tǒng)等方面還存有不同程度的發(fā)展空間。這也許是"禮炮"公司建議俄國空軍按三個階段改進AL-31F發(fā)動機，并得到軍方采納的依據(jù)所在。

據(jù)業(yè)內(nèi)資深人士分析，要提高AL-31F的推力等級，俄方可能會采用：提高風(fēng)扇通氣流量；提高渦輪前的進氣溫度；改善燃燒室組織燃燒的質(zhì)量，擴大穩(wěn)定燃燒的工作范圍；改善渦輪冷卻氣流控制系統(tǒng)等技術(shù)途經(jīng)。

在控制系統(tǒng)方面，今后則很可能從早期的機械液壓式控制燃油和噴口面積，改進為數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，甚至是與F100-PW-229發(fā)動機相當?shù)娜珯?quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，使之具有綜合診斷和與飛機控制系統(tǒng)交聯(lián)的能力。

結(jié)束語透過俄軍方按三個階段改進AL-31F來提高蘇-27系列戰(zhàn)機作戰(zhàn)能力與生存能力的計劃，不難看出，俄方為適應(yīng)21世紀的戰(zhàn)爭新環(huán)境，正在走一條與美國研發(fā)新機大不相同的發(fā)展道路；這就是在俄羅斯目前"有技術(shù)，缺資金"的國情之下，不優(yōu)先研發(fā)第五代新機，而是通過對具有國際第四代水平的有潛力可挖的優(yōu)秀機種（如蘇-27）的有限改進，來較快地實現(xiàn)空軍武器裝備的現(xiàn)代化。俄空軍把改進動力裝置性能作為提高戰(zhàn)機性能的首選，表明了動力裝置的改善在俄制戰(zhàn)機性能提高方面是舉足輕重的。這一思路，也許值得發(fā)展中國家，尤其是俄制戰(zhàn)機用戶國家參考。

相信隨著AL-31F改進型（如AL-31F-M1）高空加速性能、推力等級的提高，以及發(fā)動機啟動高度提升到海拔3500m以上的實現(xiàn)，不僅將進一步打開在國際上價位較低的蘇-27/蘇-30系列戰(zhàn)機的外銷市場，而且也有利于有高海拔機場的用戶在其國土上的全疆域部署。

從技術(shù)層面來看，AL-31F發(fā)展新思維的實現(xiàn)，除了采用高效率核心機、增大風(fēng)扇流量和改善燃燒室（含加力室）燃燒質(zhì)量的技術(shù)外，今后的設(shè)計改進，在參數(shù)選擇上還將注重采用高增壓比、高渦輪前溫度和低涵道比這樣的策略；采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)應(yīng)是它的發(fā)展方向；便于保養(yǎng)與維修的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計也將進一步得到優(yōu)化。

雖然AL-31F性能不夠理想，各方面還有待發(fā)展，但它仍有不少成功的設(shè)計經(jīng)驗值得我們學(xué)習(xí)與借鑒，它的發(fā)展新動向，更值得我們關(guān)注。預(yù)計，如果AL-31F三年發(fā)展計劃順利實現(xiàn)，再配置現(xiàn)有的三元矢量推力噴管，將有可能使蘇-27發(fā)展型飛機在高機動性和高敏捷性方面，直逼F/A-22戰(zhàn)機的水平。1

續(xù)篇據(jù)俄羅斯軍工新聞網(wǎng)2011年7月8日報道，在7月6日開幕的“鄂木斯克-2011”國際高科技裝備和武器展覽會上，俄羅斯最大的航空發(fā)動機研制商“禮炮”燃氣渦輪機制造科學(xué)生產(chǎn)中心展出了蘇霍伊系列戰(zhàn)斗機使用的最新前景改進型發(fā)動機AL-31F-M2。

“禮炮”燃氣渦輪機制造科學(xué)生產(chǎn)中心總經(jīng)理馬薩洛夫7月7日在展會上表示，與前身相比，AL-31F-M2發(fā)動機使用壽命更長，推力更大，可達14.5噸，將主要供第4代多用途殲擊機蘇-27以及蘇-27SM、蘇-30、蘇-33、蘇-34等飛機安裝使用。盡管企業(yè)財政困難，但仍然自籌資金，全力保障最新改型發(fā)動機的所有試驗設(shè)計工作順利進行，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

武偉 - 高級工程師 - 天津直升機有限責(zé)任公司