■ 陳光

20世紀60年代，美蘇兩國幾乎同時開始了第三代戰(zhàn)斗機（按照美國的戰(zhàn)斗機劃代標準）的研制工作，對配套發(fā)動機的性能乃至設計都提出了巨大挑戰(zhàn)。為滿足推重比要求，美蘇在發(fā)動機結構設計方面采取的措施或異曲同工，或大相徑庭。

美國F-15是一型全天候、高機動性的戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機，為獲得與維持空中優(yōu)勢而設計，是美國空軍現役的主力戰(zhàn)機之一，是第三代戰(zhàn)斗機典型機型。為了獲得高機動性，美國空軍要求F-15的推重比大于1.0，為此采用了兩臺推重比為8.0級的普惠公司F100-PW-100小涵道比加力式渦扇發(fā)動機（如圖1所示）。單發(fā)F-16同屬第三代戰(zhàn)斗機，所用發(fā)動機的型號為F100-PW-220。

蘇-27是蘇聯的單座雙發(fā)全天候空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機，與F-15一樣同屬于第三代戰(zhàn)斗機，主要任務是國土防空、護航、海上巡邏等。該機于1969年開始研制，1977年5月20日首飛，1979年投入批生產，1985年進入部隊股役，比F-15晚11年。蘇-27采用了兩臺推重比為8.0級的AL-31F小涵道比加力式渦扇發(fā)動機（如圖2所示）。

圖1 F100發(fā)動機

圖2 AL-31F發(fā)動機

F100與AL-31F發(fā) 動 機概況

F100是世界上最早投入使用的推重比達8.0級的軍用發(fā)動機。F100-PW-100由3級風扇、10級高壓壓氣機、短環(huán)形燃燒室、2級高壓渦輪、2級低壓渦輪與帶平衡梁式收斂-擴張型噴管的加力燃燒室組成。F100-PW-100于1970年3月開始全面工程研制，1972年2月進行60h飛行前規(guī)定試驗，1973年10月通過150h定型試驗，1974年11月交付空軍使用。F100的推力增長型F100-PW-229采用提高了效率的核心機、增加流量的風扇、多區(qū)燃燒的加力燃燒室、壽命為2000h的齒輪式燃油泵和提高了性能的數字式電子控制系統(tǒng)，檢修間隔為4000循環(huán)。

AL-31F發(fā)動機是由蘇聯留里卡土星科研生產聯合體于1976年在AL-21的基礎上研制的帶加力燃燒室的小涵道比渦扇發(fā)動機。AL-31F發(fā)動機由4級風扇、9級高壓壓氣機、環(huán)形燃燒室、1級高壓渦輪、1級低壓渦輪與帶收斂-擴張式噴管的加力燃燒室組成。在研制過程中，AL-31F發(fā)動機遇到了超重和渦輪效率比設計值低兩個嚴峻考驗。通過對總體結構的大改和提高渦輪前溫度（同時改進了渦輪冷卻設計，并采用了更先進的工藝、材料和涂層），設計人員最終克服了上述兩大困難，成功實現了發(fā)動機的定型。

表1 F100-PW-100與AL-31F發(fā)動機主要參數

風扇結構設計

大部分軍用小涵道比渦扇發(fā)動機的風扇為3級，但AL-31F卻采用了4級風扇，其增壓比為3.6（平均級壓比1.38）。因此AL-31F發(fā)動機零件數、質量與長度均大于F100的3級設計。為了提高風扇葉片抗外物打擊能力與解決葉片振動問題，AL-31F的前3級風扇采用了葉身中間凸肩，凸肩間相互抵緊形成整環(huán)，第1級的凸肩還用于解決葉片顫振問題。F100-PW-100的3級風扇葉片全部采用了葉身中間凸肩，但F100-PW-229中僅前2級采用葉身中間凸肩。

在風扇轉子葉片方面，AL-31F出人意料地采用了大展弦比（即窄弦）設計。早在20世紀50年代，蘇聯的發(fā)動機如R-11F-300的壓氣機轉子葉片就采用了寬弦設計，而當時的英美發(fā)動機全都采用窄弦設計；到20世紀80年代，英美發(fā)動機的風扇與壓氣機轉子葉片逐漸由窄弦向寬弦設計過渡，而蘇聯發(fā)動機卻走了相反的發(fā)展道路。窄弦設計使AL-31F的風扇葉片承受外物打擊的能力變差。盡管后來在飛機設計上采取了防外物進入發(fā)動機的措施（如可收放的防塵網等），但這一缺陷還是對飛機的出勤率造成了影響，甚至引發(fā)了幾起嚴重事故。

圖3 AL-31F高壓壓氣機轉子

高壓壓氣機轉子結構設計

F100-PW-100設計年代較AL-31F早幾年，高壓壓氣機轉子的輪盤與鼓環(huán)之間還是采用復雜的多根短螺栓連接方式。F100-PW-229則采用焊接轉子，前2級鈦合金輪盤與鼓環(huán)焊為一體，第3級鈦合金輪盤為單獨個體，后7級高溫合金的輪盤與鼓環(huán)焊接成一體，整個轉子由3個組合件在第3級盤處用短螺栓連接，這是現代發(fā)動機廣泛采用的結構。由于當時蘇聯無法將高溫合金的輪盤與鼓環(huán)焊接在一起，因此AL-31F的高壓壓氣機轉子采用了焊接與長螺栓兩種連接方式，即前3級鈦合金輪盤與鼓環(huán)焊為一體， 第4 ～6級鈦合金輪盤與鼓環(huán)焊為一體，后3級采用多根長螺栓連接。整個轉子由3個組合件組成，即前3級轉子在第3級盤處用短螺栓與第4 ～6級轉子連接，而后3級轉子用長螺栓與第6級輪盤后伸的錐軸連接在一起，這是一種不得已而采用的過渡設計（如圖3所示）。

AL-31F的9級高壓壓氣機轉子葉片全部采用環(huán)形燕尾榫根裝在輪盤輪緣的環(huán)形燕尾槽中，這是唯一的整個轉子所有級全都采用環(huán)形燕尾榫根的發(fā)動機（RD-33中前3級為縱向燕尾榫根）。環(huán)形燕尾榫根結構最早用于CF6-6發(fā)動機中，這種結構除了可簡化輪盤榫槽加工外，最大的好處是能在打開壓氣機機匣后拆換葉片，但其承載離心力的表面比縱向燕尾榫根顯著減小。因此，在絕大多數發(fā)動機中，高壓壓氣機前幾級葉片較大、離心力大，不采用環(huán)形燕尾榫根。F100-PW-100高壓壓氣機的轉子葉片全部采用傳統(tǒng)的縱向燕尾榫根，而F100-PW-229高壓壓氣機轉子的前4級葉片采用了縱向燕尾榫根，后6級則采用環(huán)形燕尾榫根。

高壓渦輪冷卻系統(tǒng)

為解決因渦輪前溫度提高帶來的渦輪葉片斷裂問題，AL-31F的冷卻系統(tǒng)中有一處獨特的設計，即由高壓壓氣機出口處引出的冷卻空氣經過換熱器降溫后，再去冷卻高壓渦輪部件，以提高冷卻效率。具體做法是，由燃燒室機匣外壁處引出占內涵道空氣量8.9%的高壓空氣，流入置于燃燒室機匣上換熱器中（如圖4所示），與由外涵道流入的溫度較低的空氣進行熱交換，使由高壓壓氣機引出的空氣降溫125 ～210℃。這些冷卻后的空氣中，有一部分經高壓渦輪導向器的中腔進入，除用于導向葉片冷卻外，還進入高壓渦輪盤前對輪盤冷卻；另一部分冷卻后的空氣用于高壓渦輪轉子葉片冷卻。采用這種方法可使渦輪工作葉片能承受更高的燃氣溫度，或保持一定的溫度下降低對渦輪葉片材料的要求。

圖4 AL-31F用于渦輪冷卻的熱交換器

圖5 PW4000主動錐齒直接裝在高壓壓氣機前軸上

附件中心傳動裝置主動錐齒安裝方式

F100的高壓壓氣機前滾珠軸承外環(huán)裝在折返式彈性支座中，內環(huán)裝在高壓壓氣機前軸上，附件中心傳動裝置中的主動錐形齒輪直接裝在滾珠軸承前端。這種設計在許多發(fā)動機中得到應用，如F404、CFM56、GE90與PW4000（如圖5所示）等。在這些發(fā)動機中，高壓壓氣機前滾珠軸承均是通過彈性支座支承于機匣中的，說明此處采用彈性支座后，對錐形齒輪嚙合間隙以及錐形齒輪正常工作影響不大。

AL-31F的高壓壓氣機前滾珠軸承也是通過彈性支座支承于機匣，但附件中心傳動裝置中的主動錐形齒輪卻未裝在高壓壓氣機前軸上，而是將主動錐齒支承在兩個軸承上。高壓壓氣機前軸與主動錐齒通過浮動套齒軸連接，即浮動套齒軸前端的外套齒與主動錐齒的內套齒嚙合，后端的外套齒則與高壓壓氣機前軸的內套齒嚙合。當時的設計人員認為，如果將主動錐齒直接裝在高壓壓氣機前軸處，滾珠軸承所用的彈性支座會在工作中影響錐形齒輪副的嚙合間隙，對附件傳動鏈工作不利，因此才將主動錐齒與高壓壓氣機前軸分離出去，單獨支承。在這種觀點的影響下，同期研制的RD-33也采用了類似的設計。設計人員事后意識到，AL-31F的這種設計與F100發(fā)動機相比是典型的簡單問題復雜化——不僅增加了零件與軸承數量，而且使發(fā)動機質量增加。

圖6 AL-31F發(fā)動機轉子支承方案

高壓渦輪后端支承方式

F100發(fā)動機高壓渦輪后端的支承方式采用了普惠公司的傳統(tǒng)設計，即高壓渦輪后端的滾棒軸承置于高壓壓氣機與高壓渦輪之間，通過燃燒室機匣將負荷外傳，這種設計不僅使發(fā)動機多1個軸承腔，而且2級渦輪輪盤還是懸臂支承的，顯然對高壓轉子的轉子動力學特性不利。AL-31F的高壓渦輪后滾棒軸承支承于低壓轉子上，成為一個中介軸承，高壓渦輪后軸承的負荷通過低壓轉子后軸承外傳，整臺發(fā)動機因此可減少1個承力機匣與軸承滑油腔，不僅使發(fā)動機零件數減少，而且發(fā)動機長度也可減少。

在小涵道比渦扇發(fā)動機中，一般高壓轉子由兩個支點支承，低壓轉子則由3個支點支承，即風扇轉子支承于前后兩個支點上，低壓渦輪轉子后端支承于1個支點上，其前端通過聯軸器支承于風扇后支點處。以往的3支點的設計必須采用柔性聯軸器，以適應3支點的不同心，即低壓渦輪轉子允許繞軸心偏離一個角度。但當高壓渦輪通過中介軸承支承于低壓渦輪轉子時，就不能采用柔性聯軸器，否則高壓轉子后支點會顛簸，造成葉尖間隙極不均勻，并影響高壓轉子的動力學特性。為此，在3支點的低壓轉子支承方案中，必須采用剛性聯軸器，這就需要提高機匣與轉子的加工精度，保證機匣中3個軸承安裝孔要在一根軸線上，同時轉子上裝3個軸承的軸頸處應保證同心。

由于當時蘇聯對長度較長的低壓渦輪軸的加工精度達不到要求，因此AL-31F的高壓轉子選擇了目前普遍采用的1—0—1方式（如圖6所示）。即高壓壓氣機前采用滾珠軸承與高壓渦輪后采用滾棒軸承；低壓轉子卻采用了最原始的4支點方案，即風扇轉子支承于前后兩個支點上，低壓渦輪轉子也支承于前后兩個支點上。由于低壓渦輪轉子是支承于前、后兩個支點上，工作會非常平穩(wěn)；高壓轉子后軸承支承其上，工作也較平穩(wěn)。為了克服柔性聯軸器對高壓轉子帶來的問題，AL-31F采取的上述措施雖然解決了問題，但卻在發(fā)動機中增加一套零件多、結構復雜的聯軸器，增加了發(fā)動機質量。

AL-31F發(fā)動機的高壓渦輪輪盤與渦輪前、后軸是通過多根螺栓連接起來的，即在輪盤輪轂上開有多個螺栓孔。由于這種在輪轂上開孔的設計比較簡單，在早期發(fā)動機上就曾采用過，但在輪轂上開孔會影響輪盤的強度與使用壽命，因此，20世紀70—80年代發(fā)展的發(fā)動機已不采用這種結構。F100發(fā)動機高壓渦輪輪盤輪轂處向后有用于連接的向內的安裝邊，螺栓孔開在此安裝邊上，避免在輪轂上開孔，這種連接方式在近些年研制的發(fā)動機中被較多采用。

AL-31F的鈦合金低壓渦輪軸

為了減輕發(fā)動機的整體質量，AL-31F發(fā)動機連接低壓渦輪與風扇間的低壓渦輪傳動軸前后分為3段。前、后段因為有傳遞扭矩的花鍵，由高強度的合金鋼制成，中段僅傳遞扭矩與軸向力，由鈦合金制成，3段間用徑向銷釘連為一體。這種以將細長的傳動軸做成由3段不同材料制成的結構來減輕發(fā)動機質量的方式十分罕見。

結束語

AL-31F與F100同屬用于第三代戰(zhàn)斗機的發(fā)動機，但投入服役的時間晚了10年。盡管AL-31F在結構上有一些奇思妙想的獨特設計，但在整體設計水平上卻落后于F100。而對比第二代戰(zhàn)斗機用發(fā)動機，蘇聯的R-11F-300發(fā)動機在結構設計中的許多方面是優(yōu)于美國J79發(fā)動機的。究其原因，筆者認為主要是受赫魯曉夫“兩彈打天下”戰(zhàn)略思想的影響，飛機與發(fā)動機的資金缺乏、發(fā)展受限，以致在短短幾年的時間，美蘇間的航空技術能力與水平就拉開了差距，其中的教訓值得深思。