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我国军用涡扇发动机将在2030年左右完成对国际先进水平的超越

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装备歼20战斗机上的WS15涡扇发动机

前一篇文章说到,我国WS15已经进入批量生产装备阶段。当然发展到这个阶段,我国的军用涡扇发动机水平离世界最先进水平仍然是有差距的。美弟F135发动机的性能在F119的基础上又有了大幅提高,其加力推力已经提高到了191.3千牛,将近19.5吨。我国正在研制中的WS15发动机改进型加力推力在18.5吨左右。虽然跟美弟F135发动机相比还有差距,但已经没有到落后几十年的地步。

F135发动机的推力有了大幅度提高,但是代价是涵道比也大幅提高了

不过F135取得这么大推力也是有代价的,那就是其涵道比也提到了0.57,已经不适合追求超音速机动性的作战飞机。只能用在F35这类没有超音速巡航能力的战斗轰炸机上了。不过即使F135的推力达到了191.3千牛,F35的飞行速度仍然是不达标的。F35为了降低成本,采用了多型机共用机身设计。这样虽然可以实现大部分机身零部件通用,但各型飞机技术要求不同,技术上互相掣肘。其最大飞行速度只达到了1.6马赫,其垂直起落型号最大飞行速度甚至只有1.4马赫,这是美国系统整体设计水平的问题。至此美国的第四代发动机的潜力也所剩无几了,虽然后面还有继续改进的型号,但要想再上一个台阶就要看下一代发动机了。

美国ACE计划中的发动机推力要提高20% 也就是推重比提高到12

目前能够在第六代战斗机动力上进行竞争的只剩下中美两国了。中美两国六代机的发动机采用的都是变循环发动机。也就是发动机能够在涡喷和涡扇两种工作模式下切换。那么中美两国的六代机动力都是什么水平呢?美弟发展了两个型号的变循环发动机参与六代机动力竞争。分别是通用公司的XA100和普惠公司的XA101。这两型发动机的推重比在12左右。从涡轮前进气温度来说,美弟变循环发动机的温度已经可以达到2400K左右。按说涡轮前进气温度每提高200度,推重比就可以提2。以此推算推重比应该能达到14,但是因为采用了变循环设计,所以发动机的结构变得复杂了。

GE XA100的基本结构

我们看下通用公司变循环发动机的结构设计,三级风扇,七级高压压气机,两级高压涡轮,两级低压涡轮。基本结构为3722结构,而F119的结构是3611,结构不但没简化反倒复杂了不少。这样结构重量就增加了,所以推重比就只能达到12左右。虽然普惠公司有计划采用陶瓷基复合材料,将涡轮前进气温度进一步提升到2700K,但是目前陶瓷基复合材料在技术上还不是很成熟,不是很适合用在涡轮叶片上。在这一技术领域我国并不落后,今年元旦,我国也试飞了陶瓷基复合材料的涡轮盘。所以基本上可以肯定美弟六代机动力的推重比也就在12左右,最多也只能提高到13。

我国将先于美弟研制成功15个推重比的发动机

对我们来说,很早就开展了变循环发动机的预先技术研究。在WS10和WS15发动机的基础上研制了两型变循环发动机。不过这两个型号都不是正牌的六代机动力。我国正牌的六代机动力采用的是全新的核心机。2013年左右中科院院刊上刊登了一篇文章,提到了我国下一代涡扇发动机,其推重比为15。该发动机的核心机在2016年研制完成。参照我国研制WS15发动机的进度,2006年立项,2022年定型,研制周期是16年。不过因为到2006年高推核心机在高空台试验时参数并未完全达标,等参数指标完全达标已经到2009年年底了。所以如果WS15的研制从核心机达标开始算,研制周期应该是13年。以此类推,我国推比15一级的发动机研制成功应该是在2029年。这一年恰好就是美弟计划的六代机服役的时间点。

我国推比15一级涡扇发动机核心机

前面说过美弟第六代战斗机的变循环发动机推重比在12左右,最多不会超过13。这就意味着我国推比15一级发动机届时将领先美弟六代机发动机一代。我国推比15一级的发动机之所以能取得技术性能上的大幅提升,一个重要的原因是采用了新一代的压气机。该压气机为创新的对转压气机,也就是压气机相邻两排叶片的旋转方向是相反的。这样可以省掉压气机转子叶片间的所以有静子叶片,不但简化了结构节省了重量,还提高了压气机工作效率。正是因为压气效率的提高,对转压气机的级数也大幅度减少了。

一种对转压气机的专利设计图

当然这种新型压气机和通常所说的涡轮对转不是一个概念,涡轮对转只是高低转子的旋转方向相反,这样可以省掉高低压涡轮之间的一级导向叶片。高压转子和低压转子上的相邻叶片还是固定在一起的,旋转方向还是一样的。这和对转压气机是完全不一样的概念。

美弟计划的六代机服役时间在2030年左右

当然,十几年过去,我国的发动机研制水平又有了新的提高,研制周期有可能进一步缩短。WS15发动机是我国第一个从预先技术研究开始研制的发动机,走完了发动机研制的全部流程。有了前面的经验,随后的发动机型号研制速度有可能进一步提高。再加上近些年计算机仿真、人工智能、协同设计技术的发展。我国推比15一级发动机的研制周期可能会大幅缩短,有可能能赶上我国六代机的服役。至于我国六代机的研制进度,歼20设计总师杨伟曾提到过一个时间点,那就是2025年。至于到2025年,我国六代机是首飞还是服役,杨伟没有明说。但是可以肯定,到2030年左右,我国的军用涡扇发动机会追上当时美弟的技术水平,并实现领先一代的技术优势。

我国军用涡扇发动机目前技术水平如何,还落后30年吗? 我国WS15发动机即将量产,和俄罗斯R-79和R-179发动机有关系吗? 美《空军技术》:WS15即将量产,歼20完全版要上批量了吗?

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