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涡扇15也不如,推力高达25吨!图160配备的NK32航发到底有多强?

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8月24日,据俄罗斯媒体报道,俄罗斯国防部确定以75亿卢布采购第二批8台NK-32-02涡扇发动机,用于生产性能强大的图160战略轰炸机。

一、图160至今仍是最强大的变后掠翼轰炸机,但因不能隐身,已不适应时代。

图-160是一款采用变后掠翼的战略轰炸机,采用4台加力推力为25吨的库兹涅佐夫NK-32加力涡扇发动机,空重110吨,最大起飞重量达到了275吨,最大航程1.6万公里,最大升限为2.1万米,最大飞行速度2.05马赫,内置弹舱最多能够挂载45吨各型弹药,在携带9吨弹药、采用高-低-高作战模式、以及全程亚音速飞行时,作战半径为7700公里,全程以1.5马赫速度飞行时,作战半径约2000公里。

图160变后掠翼战略轰炸机

美国同类战略轰炸机是B-1B变后掠翼战略轰炸机,采用4台加力推力为136.92千牛的F101-GE-102涡扇发动机,空重为87.1吨,最大起飞重量为216.4吨,最大航程1.2万公里,最大升限为1.6万米,最大飞行速度1.25马赫,内置弹仓最多可挂载吨弹药34吨各型弹药。

对比发现,图160相比美国的B-1B轰炸机来说,性能全面大幅度超越,当之无愧成为同类轰炸机中的王者。然而,美中不足的是图160不具备隐身能力,这个缺点直接抵消了它飞行速度快的优点。在防空导弹越来越先进的时代,不具备隐身能力的图160将面临各种防空导弹的威胁。虽然图160最大能飞2.05马赫,但面对速度达到4马赫以上的防空导弹,仍然不够快,一旦被锁定,非常容易被击落。

二、图160采用的NK-32涡扇发动机至今仍是神器以至于俄罗斯不愿意出售它的任何技术。

显然,图160已经逐渐不适应时代发展了,然而,它配备的NK-32涡扇发动机因性能太强悍,至今仍然是一款神器!

说起涡扇发动机,很多人都会想起美国F35隐身战机配备的那台推力高达191.3千牛的F-135涡扇发动机。然而,这台发动机在NK-32涡扇发动机面前,仍然不够看。

F-135涡扇发动机正在试车

NK-32涡扇发动机是一种三转子加力式涡扇发动机,长6米,净重约3.4吨。单台最大推力137.3千牛,加力推力可达245千牛,涵道比为1.4,与DT18几乎相同。仅中间推力就和美国B-1B轰炸机配备的F101-GE-102涡扇发动机的加力推力基本相当,可见它的性能有多么强悍!

通常情况下,想要实现超音速飞行,涡扇发动机的涵道比不能太大,最好不要超过1,想要降低油耗,涵道比要尽可能做得大一些。这两个指标本就是自相矛盾的,然而NK-32涡扇发动机却做到“鱼和熊掌兼得”!涵道比达到1.4,油耗比其他可超音速飞行的飞机发动机更低,速度却也达到2.05马赫。除此之外,由于特殊设计,NK-32涡扇发动机的在不同状态下的飞行稳定性也远高于普通超音速轰炸机发动机。

那么NK-32涡扇发动机是怎么做到的呢?

简单来说是运用了3转子设计。

早期的涡喷发动机采用单转子设计,结构相对简单,但缺点是油耗太大,发动机喘裕度较低,飞行稳定性较差,发动机推重比难以做大。为了改善这些缺点,双转子涡扇发动机便应运而生。后来,为了进一步提高涡扇发动机的性能,三转子发动机便应运而生。

相比双转子涡扇发动机,三转子涡扇发动机有什么优点呢?

双转子涡扇发动机的高压涡轮和高压压气机通过一根轴相连,风扇则由另一根轴与低压压气机相连,两者同轴嵌套在一起,运行时,强大的气流冲击高压涡轮和低压涡轮,分别以高速和较低的速度带动高压压气机转动和风扇转动。

三转子涡扇发动机结构示意图

这里又有个问题,由于发动机内涵道和外涵道是逐渐缩小的,运行时越往后,内涵道压力是逐渐升高的,然而发动机的转动速度并不是一直升高的,一般高压压气机的7~9级叶盘都是以同一个速度运转。理论上如果能让越靠后的叶盘级数转得比前一级快点,发动机运行效率就能提高。实现途径就是增加转子数量,然而,由于嵌套轴数量不可能一直增加,因此研制人员最终选择了三转子设计。

三转子涡扇发动机相当于把双转子涡扇发动机的高压压气机进一步拆分成中压压气机和高压压气机,同时,原先的高压压气机进一步拆分成高压压气机和中压压气机。这个时候它的中压压气机和高压压气机均以相对更优的速度运转,运行效率更高,加压效率也更好,更不容易出现喘震。

正是因为这一设计,让1977年开始研制、连空心叶片都没有采用的NK-32涡扇发动机推重比竟然达到7.35的高水平。如果对其进行现代化改进,这款发动机的性能还将进一步大幅度提升。可见三转子发动机相比双转子发动机确实更好。

NK-32涡扇发动机

NK-32涡扇发动机由3级风扇、5级中压压气机、7级高压压气机、单级高压涡轮、单级中压涡轮以及两级低压涡轮驱动共计19级组成,总压比高达28.4。

1、低压转子。两级低压涡轮通过转轴连接、驱动3级风扇,这主要是因为NK-32发动机的涵道比达到1.4,因此需要两级低压涡轮驱动。风扇是NK-32直径最大的部件,它驱动的空气流量最大,一部分绕过内涵道经外涵道参与加力燃烧或直接喷出,另一部分进入内涵道被逐级加压,在燃烧室内燃烧,膨胀冲击、推动燃烧室后面的涡轮叶片。

2、中压转子。单级中压涡轮通过转轴连接、驱动5级中压压气机,中压转子的转速居于风扇与高压转子之间,由风扇进入内涵道的气流在这里被进一步加压。低压和中压涡轮叶片均采用定向凝固材料制造。

3、高压转子。单级高压涡轮驱动7级高压压气机,高压涡轮是整个HK32发动机中温度最高(1357℃)、转速最快、承受应力最大的地方,因此高压涡轮叶片采用强度最高、耐受温度最强的单晶材料制造,且需空气冷却。

由于性能十分强悍,4台就能推动最大起飞重量高达275吨的图160达到2马赫的速度。俄罗斯至今都对这款发动机相关的技术、零件严格保密,俄罗斯的高官更是公开宣称:一颗NK32的螺丝钉都不会卖出去,绝对不允许出售给其他国家。

三、虽然我国的涡扇15材料更好,但推力仍然比不上前苏联40多年前研制的NK32。

之前有传言称,早期的涡扇15推力指标为150KN左右,然而由于涡扇10B及后来的改进型号推力已经接近甚至超过这个指标,涡扇15只好将推力指标提升至18吨以上的水平。这一传言在去年终于得到侧面证实!2020年12月9号,2020军工榜暨军工风云人物及军民两用领军企业评选正式开始。在榜单上,竟然出现了涡扇15发动机总设计师(程荣辉)的名单,并介绍了其研制型号涡扇15的推力高达18.5吨。

军工大奖评比关于程荣辉总师的介绍中透露涡扇15推力高达18.5吨

虽然涡扇15作为战机发动机推力已经足够大了,其运用的材料、推重比也更高,但是最为关键的推力指标却仍然和苏联在40多年前研制的NK-32有不小差距。由此可见,NK-32的总体设计有多么优秀,如果采用涡扇15的材料技术再出一款现代化改型,其综合性能必将有质的飞跃!

结论:NK-32温度比较低是因为40多年前的材料技术不如现在,但其总体设计十分优秀,即便是我国最新研制的涡扇15,最大推力仍然不如它。一旦有需求,俄罗斯可通过全面现代化改进,为其减重增推,彻底脱胎换骨!通过上述对比分析,我们也可以看出,虽然我国的涡扇发动机技术进步很大,但仍然和美、俄等国有较大差距,仍然需要再接再厉!

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