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美国航空发动机发展经验,给中国的启示!

时间:2021-06-11 20:48来源:世界先进制造技术论坛 作者:航空

 



  相比于J79的坎坷,后来同样成为一代经典的P&WF100涡扇发动机,在研制之初遭遇了更大的麻烦。F100突破了当时的技术特别是在耐高温材料领域的极限。由于空军要求的开发进度过于紧张,预算也相对不足,普惠在处理不可避免的技术问题方面捉襟见肘,进度不断拖延,经费也节节攀升。虽然技术人员倾尽全力,仍然没能解决全部研制问题,F100投入量产时其开发工作实际上并未全部完成。结果,早期的F100发动机动力强劲,性能优良,但在使用性和可靠性方面存在严重问题,差一点断送了F-15的前途。
  F-15战斗机在美国各界殷切的期盼下交付空军使用了,然而在随后的使用过程中发现F100存在许多影响可靠性的严重问题,直接危及飞行安全,这令使用者和设计者们伤透脑筋。据统计从F100-PW-100正式投入使用到1979年4月,美空军共使用1,100余台发动机,累计工作时间超过25万飞行小时,综合故障率为2.688/1000EFH(发动机飞行小时),造成1979年缺少90~100台发动机,
  普惠公司零备件供应不足更使得大批出厂的F-15不能处于战备状态,导致大批飞机 “趴窝”,成为当时美军最棘手的问题之一。最后,不得已之下的美国政府出资发起了“部件改进计划”,对F100进行改进和修补,几经周折才算让F100满足了使用要求,F-15这个“机库皇后”才摆脱了这番羞辱。

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对于“失败者”也不放弃

 

 


  美国航空发动机工业的另一个可取之处,是对“失败者”也不放弃,当然这背后需要进行深层次的解读。在F-22动力竞标中败北的通用电气YF120为什么没有死掉?这离不开美国政府和军方对喷气动力前瞻技术的悉心呵护。美国军方明白,YF120失利的原因之一是采用了太多新技术,缺乏足够的验证。
  在YF120竞争ATF失败之后到通用电气重新进入JSF的AEP竞标之前,空军一直通过IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)项目与通用电气展开合作,目的是帮助YF120的诸多先进技术更加成熟。IHPTET计划于1988年启动,是政府支持下的雄心勃勃的技术开发和演示计划,美国陆海空三军、NASA、国防部预先研究计划局都参与其中,其最主要的目标是将军用涡扇发动机的推重比提高一倍,同时将生产和维护成本降低35%。
  IHPTET的费用一半由政府提供,另一半则由企业投资,美国政府希望能验证开发可靠性更高的下一代大推力喷气发动机的可能性。IHPTET分为三个阶段,每一阶段都设有阶段性目标并进行全面评估,该计划支持普惠和通用电气等企业开发和验证了一大批先进核心机技术,其中涉及涡扇、涡轴以及用于武器的小型一次性喷气发动机诸多领域。
  通过这项计划,美国的航空喷气发动机预研技术始终和现役技术保持着合理的时间间隔,确保了技术领先优势。在美国人看来,现役装备必须考虑技术风险,而预先研究则是为了克服前瞻技术的技术风险,使其走向实用化。
  作为一种高度复杂的机械产品,我们还应该看到高性能航空发动机出现的各种问题中,很多不应该单单只从其本身的设计和制造角度来原因。比如,普惠F100经曾遭遇的一系列研发问题就是如此。
  由于在美国军方的催促下,F100的研制时间极为紧张,普惠不得不将某些试验安排在原型机科研试飞阶段去完成了,因此在部件可靠性、维护性等试验方面存在“明显的没吃饱”现象。再加上由于动力强劲加上F-15出色的机动性,飞行员们常常“粗鲁”地把飞机拉到飞行包线的边缘,这让发动机实际工作状态比设计状态更为恶劣。
  在使用中要求能快速来回推、拉油门杆,这就使发动机转速、温度发生急剧的变化,从而导致主要部件承受多变的应力循环,像这样的应力循环变化相当频繁。然而在设计F100发动机时,设计师们没能预料到发动机在新的工作条件下所承受的大负荷。
  这种做法导致了比预想更糟糕的可靠性和维护性问题。更麻烦的是,美国空军当时发展出的大过载机动空战战术也带来了新问题:大机动动作使进气道内形成高能乱流,造成了压气机失速,严重的压气机失速经常导致发动机熄火,飞行员不得不尝试空中开车。这样的问题让空军甚为忧虑,因为除双发的F-15,F100还计划用来装备通用动力F-16单发战斗机,对于单发飞机,发动机空中熄火可是大灾难。压气机失速还导致了其他重大隐患,诸如叶片疲劳和断裂,可能在飞行中损坏飞机。为了避免这些灾难性的事故,美国空军给飞行员制订了使用性能限定标准,机械师们也不得不频繁检修发动机。
  美国空军要求普惠对发动机进行改进,而普惠认为已经提供了满足既定性能指标的产品,这些使用中出现的问题是由于F100的实际使用条件超出设计条件所致,只能要求空军追加拨款来解决问题。
  众所周知,由于美国很早就建立了完善的市场经济体制,所以美国政府素来倡导在各种军用装备的发展和采购方面鼓励充分的市场竞争。因而在发展航空发动机工业时候,美国政府自然就会选择适合本国市场经济体制的发展模式,事实上它也别无选择,也只能选择鼓励自由竞争的这条路。
  这表现在,二战前的活塞时代,由于国内的经济体制是高度的自由市场经济体制,政府对行业的调控很少。所以美国的航空发动机工业布局是一个充分的市场竞争环境,大量的企业百家争鸣,令人眼花缭乱,如柯蒂斯-莱特、普惠、艾利森、通用、福特、帕卡德、西屋等等。美国政府鼓励这些公司之间展开竞争,不提倡研发的共享。这种方式虽然在经济上有些浪费,但却促进了各种不同技术途径的发展,也的确让美国军队获得了大量性能优良且可靠耐用的先进高性能航空发动机。

 



  然而,在迈入喷气时代以后,情况发生了变化。随着喷气式发动机的结构越来越复杂,研发资源投入越来越大,一些航空发动机厂商开始“掉队”,比如“西屋”这家在1945年即成立航空燃气涡轮分部,并开发成功美国自行设计的第一种涡喷发动机J30,接着又研制成功J34的资深发动机企业,却在美国海军满怀希望的J40项目上栽倒。
  丢掉J40这个金子般的机会后,“西屋”也曾放手一搏,在1953年联手罗罗希望以“埃文”为基础开发新型军用喷气发动机,但再次倒在了高昂的投入与研发能力的不足上。自此“西屋”被彻底淘汰出高性能航空发动机领域。柯蒂斯-莱特公司的命运也在这一时期发生转变。
  战后柯蒂斯-莱特先是通过军方协议获得了并不先进的威斯汀豪斯J34技术,并许可制造通用电气J47发动机。后来美国空军选择柯蒂斯-莱特开发大推力涡喷发动机J67——即许可制造的英国“奥林匹斯”的改进型,用于装备康维尔F-102,但由于研制过程中技术问题太多,进度一再拖延,最终归于失败,柯蒂斯-莱特从此一蹶不振,在50年代末淡出了喷气发动机制造领域。

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