苏联|AL31F的研制基本上是保证可靠性的减重、减重、再减重苏联

文章图片

文章图片

文章图片
AL31F作为一种上世纪七八十年代诞生的大推力涡扇发动机，在世界范围内可能并不出色，甚至有些平庸。但AL31F和及其改型却是苏联/俄罗斯三四代战斗机的主要航空动力系统，它的很多设计思想对作为后起之秀的我国也有很大的借鉴价值。
AL31F发动机
在AL31F诞生以前，擅长将传统技术发挥到极致的苏联已经在涡喷发动机领域取得了巨大成功， R29-300和AL21-3两种涡喷发动机的推力都达到了11吨，几乎达到了涡喷发动机的推力极限，但它们都只有5-6的推重比。而只有发动机的推重比达到7 ，战斗机的整机推重比才有可能超过1 ，因为发动机是飞机的心脏，它有复杂的支撑、平衡结构，发动机每增加1公斤，飞机的空重就会增加5公斤，可谓“牵一发而动全身” 。
而无论是以R29-300为动力的米格23 ，还是以AL21F-3为动力的苏24 ，由于发动机推重比太低，空重分别达到了10.5吨和17吨，再带上必需的燃油和弹药，飞机的整机推重比就很难超过1 ，推重比不超过1 ，苏27就很难与F15相抗衡。因此，开发单位留里卡设计局的工作就集中在减重上，表面上相对于AL21F-3 ， AL31推力没增加多少，但推重比却增加了1 ，就是为了这个1 ，苏联花掉了十几年的时间，克服了巨大困难。
米格23虽被称为三代机，但其机动性根本达不到三代机的标准
为了使推重比增加这个1 ，苏联在AL31F发动机的研制过程中采取了三大措施：
一，冒险采用了单级高低压涡轮。最初的AL-31发动机有4级风扇（低压压气机）、12级高压压气机、2级高压涡轮、2级低压涡轮，共20级，重达1600公斤，这还是苏联标准，用美国标准的话重量会更夸张，而且推力还低，只有11.2吨，与上一代的AL21-3涡喷发动机差不多。
于是， AL-31整个构架跟苏27一样几乎推倒重来，去掉了3级高压压气机和高低压涡轮各一级，变成了4+9+1+1的15级设计，重量一度控制到1520公斤（苏联标准）。
AL31F结构图，红箭头所指为低压转子，黄箭头指的是高压转子
但挑战也随之而来，涡轮效率比设计值低了4% ，这意味着高压压气机的压比也会因此不达标，只好将涡轮前温度由1350℃提高到1392℃ ，导致高压涡轮的ЖС26定向凝固合金叶片出现裂纹。低压涡轮的问题也不小，连美国F110都用了两级低压涡轮，而AL31F只有一级，更何况它还多了一级风扇，达到4级，这就意味着单级低压涡轮的压力很大。
为此设计了非常复杂的冷却系统，高低压涡轮叶片均被设计为气冷式叶片，其中高压涡轮的冷却空气量占到了内涵流量的17.5% ，经设置在外涵流路中的空气－空气换热器，可使冷却空气降温125～210℃ 。低压涡轮转子叶片则用外涵空气进行冷却。
AL31F涡轮叶片复杂的空心冷却结构
但当时苏联却没有攻克大直径粉末冶金盘的制造工艺，只能用ЭП742-ИД高强耐热合金制做涡轮盘，其抗蠕变性能较差，疲劳寿命也较短。但苏27做高强度机动需要反复快速推拉油门杆，这就导致涡轮盘经常要面对从低温到高温从低转速到高转速的剧烈变化，很容易产生金属疲劳。因此，虽然采取了大量优化设计，但AL31F的翻修寿命仍然因没有采用粉末冶金盘而较短。
二，低压转子驱动轴采用了三段设计，付出了支撑系统故障率高的代价。为了尽可能减重， AL31发动机的低压涡轮驱动轴采用了三段设计，贯穿发动机前后的最长主轴低压转轴分为三段，三段之间以“鱼叉式”结构相接，再用径向的销钉加以固定。前后两段对强度或耐热要求较高，采用不锈钢材料；中间较长的高压压气机这一段对控制重量要求较高，采用钛合金材料，这种三段式设计，主要目的就是通过把中间的一段换成钛合金来减重。但这种设计对润滑提出了很高的要求，一旦润滑失效、主轴很快就会抱死（卡住）甚至断轴，一旦发生断轴，通常情况下整台发动机都会报废。即使如此， AL31FN支撑系统的可靠性对双发战斗机而言，仍然是达标的，但这种设计的弊端在单发的歼10A所用AL31FN发动机上充分的暴露了出来。