Д30КП2(WS18/渦扇18)中等涵道比發(fā)動機(jī)簡述


Д30КП2的仿制型號
成都發(fā)動機(jī)有限公司仿制生產(chǎn)的WS18中等涵道比發(fā)動機(jī)(被稱作該公司的“生命工程”),其原準(zhǔn)機(jī)為前蘇聯(lián)索洛維耶夫設(shè)計局于1972年在Д30的基礎(chǔ)上放大設(shè)計的Д30К系列發(fā)動機(jī),1982年改進(jìn)型Д30КП-2設(shè)計定型。
作為運(yùn)輸機(jī)類動力,軍民兩用是普遍做法,Д30К系列也不例外,主要配裝伊爾76運(yùn)輸機(jī)、伊爾62M以及圖154M客機(jī)。

民航自1985年起陸續(xù)引進(jìn)了30架圖154M客機(jī),其中多架客機(jī)后來被改裝成電子偵察機(jī)加入了人民軍隊的裝備序列。同期我軍還列裝了伊爾76大型運(yùn)輸機(jī)。進(jìn)入本世紀(jì),我國新研制的大型運(yùn)輸機(jī)Y20,改進(jìn)設(shè)計的中遠(yuǎn)程轟炸機(jī)H6K等,都采用了Д30КП-2作為配套動力,該發(fā)動機(jī)以其成熟穩(wěn)定的性能表現(xiàn),為我國軍用大飛機(jī)的發(fā)展立下了汗馬功勞。因為裝備需求量大,長期依賴進(jìn)口不符合我國國情和軍情,所以成都發(fā)動機(jī)公司瞄準(zhǔn)時機(jī),自籌資金在原有大修線的基礎(chǔ)上,逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化的批量制造——即渦扇18發(fā)動機(jī)。

但是必須坦率地說,Д30КП-2技術(shù)落后、質(zhì)量欠佳,整體設(shè)計水平只相當(dāng)于西方60年代的JT3D、JT8D等機(jī)型(屬于第一代渦扇的改進(jìn)型),仿制這么一款早已淘汰的“古董貨”對于我國航發(fā)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步并無助益,也不利于更先進(jìn)的國產(chǎn)同類發(fā)動機(jī)推廣應(yīng)用早日成熟。成發(fā)公司由于經(jīng)驗水平、技術(shù)實力等限制,難以在短期內(nèi)大幅改進(jìn)原始設(shè)計,所以現(xiàn)階段的WS18只是原樣仿照的“山寨貨”,原準(zhǔn)機(jī)的缺陷不足也都大部“繼承”了過來。
筆者認(rèn)為WS18/Д30К主要存在以下不足:
推力弱、裕度低、耗油率高
噪聲超標(biāo)、排氣冒煙、污染嚴(yán)重、紅外信號強(qiáng)
結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在設(shè)計缺陷
壽命較短,可靠性不高
? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? Д30КП2/WS18?? ? ? ? ПС90А
地面起飛推力(kgf)?? ? ? ? ? ? ?12000±1%? ? ? ? ? ? 16000-2%
11kM巡航推力(kgf)? ? ? ? ? ? ? 2750-2%? ? ? ? ? ? ? 3500-2%
11kM巡航耗油率(kg/kgf.h)? ? 0.705? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.595
起飛推力保持氣溫? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 23?℃ ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30℃
渦輪前溫度(K)? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1385~1410?? ? ? ? ? ? 1640
涵道比? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.2?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4.36
推重比 (俄標(biāo)干重) ? ? ? ? ? ? ? ? 5.17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5.42
最大外徑(m)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.56? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.4
總壽命(h)? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?9000? ? ? ? ? ? ? 25000h翻修壽命(視情維護(hù)、不設(shè)總壽命)
WS18的主要性能與Д30КП2并無二致。
不過需要指出,這12噸的臺架推力,其保持氣溫僅能達(dá)到23℃(基本型Д30КП更只有15℃),當(dāng)環(huán)境溫度升高(比如氣溫超過30℃),發(fā)動機(jī)推力就會降至11噸左右,而先進(jìn)渦扇的保持氣溫普遍可達(dá)30℃、甚至40℃以上也不鮮見,這就是Д30КП2性能落后、裕度偏低的體現(xiàn)。發(fā)動機(jī)的推力性能不單單只看地面標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的數(shù)據(jù),更重要的是極端氣象復(fù)雜環(huán)境下的良好性能和適應(yīng)性,飛行包線內(nèi)具有較好的高度特性和速度特性。在高溫高原機(jī)場(高原機(jī)場天然就是"高溫"機(jī)場),大氣密度降低,同質(zhì)量空氣的體積增大,對于吸氣式發(fā)動機(jī)而言,壓縮同等質(zhì)量的空氣相比在平原就要做出更多的功,所以推力降低。例如標(biāo)高3540米的拉薩貢嘎機(jī)場,空氣密度只相當(dāng)于上海浦東國際機(jī)場的69%,Д30КП2/WS18的起飛推力要減少25%,因此伊爾76運(yùn)輸機(jī)的最大起飛重量通常只有140噸左右(平原地區(qū)是190噸),載重量減少一半以上(從50噸降到20噸左右)。高原機(jī)場駐場飛行的運(yùn)輸機(jī),普遍采用“大馬拉小車”的模式,即選用推力/功率偏大的發(fā)動機(jī),同時減輕飛機(jī)重量。

導(dǎo)致Д30КП2/WS18性能不高、裕度偏低的一大關(guān)鍵原因,就是發(fā)動機(jī)材料技術(shù)尤其是高溫合金的嚴(yán)重落后。高壓渦輪葉片采用ЖС6у鎳基等軸晶鑄造合金,渦輪前溫度只能做到1400K級別,而80年代后問世的第三代渦扇已應(yīng)用定向凝固合金、并且嘗試更先進(jìn)的單晶鑄造葉片,其渦輪前溫度大幅提升至1600K以上,現(xiàn)如今第五代渦扇的溫度更是高達(dá)了1800~2000K,第二代、第三代單晶材料已經(jīng)成為標(biāo)配。
WS18所用的K465合金,仍舊是ЖС6у的國產(chǎn)化牌號,與現(xiàn)代水平存在數(shù)十年的差距,因此不要幻想WS18的性能會有突破性的提升。


冒黑煙問題則是Д30КП2又一大飽受詬病的顯著缺陷。早期航發(fā)設(shè)計中,燃燒室通常采用偏高的油氣比(富油)設(shè)計,離心式雙油路壓力霧化燃油噴嘴,如此設(shè)計可以獲得比較寬廣的貧油熄火邊界、發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性較好,但是容易發(fā)生不充分燃燒,排氣冒煙現(xiàn)象比較嚴(yán)重。歐美在80年代后開發(fā)出高性能與環(huán)保兼顧的新型航發(fā),基本消除了排氣冒煙。而蘇/俄因為技術(shù)水平所限,不得不犧牲環(huán)保性、全力保性能,諸如РД33、ПС90А等第三代渦扇依舊是“老煙槍”。
排氣冒煙不只是環(huán)保問題,同樣也會對飛機(jī)作戰(zhàn)性能帶來嚴(yán)重影響。例如,黑煙之中的炭粒子具有極其強(qiáng)烈的紅外信號特征,并且附著于隱身涂層,這對于飛機(jī)隱身性能是極其不利的。此外,過量的燃油煙粒燃燒會導(dǎo)致火焰筒壁溫過高,縮短零部件壽命。
筆者認(rèn)為消除冒煙是WS18優(yōu)化改進(jìn)的首要任務(wù)。我國在這方面其實已有比較豐富的經(jīng)驗和技術(shù)儲備,比如649所在研制WS13系列(РД33為原準(zhǔn)機(jī))的過程中,通過改進(jìn)火焰筒頭部結(jié)構(gòu)、改裝新研制的旋流器等措施,取得了非常好的成效。?成發(fā)公司也可以借鑒相關(guān)經(jīng)驗,徹底解決WS18的黑煙問題。

Д30КП2/WS18的不足還有不少,如軸間軸承故障率高等等,就不一一展開了。