TFE731:外貿(mào)型K-8教練機(jī)的動(dòng)力解析

在歷屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)上，俄羅斯的蘇-27和米格-29戰(zhàn)斗機(jī)，印度的HJT-16教練機(jī)，我國(guó)的殲-7EB和殲-10戰(zhàn)斗機(jī)等都為參觀者帶來(lái)了亢奮的視覺(jué)沖擊。而在第8屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)上，巴基斯坦空軍“雄獅”飛行表演隊(duì)使用K-8“喀喇昆侖”中級(jí)教練機(jī)進(jìn)行了令人難忘的特技飛行表演，而這一切離不開(kāi)它配裝的TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)。

K-8動(dòng)力選型回顧

洪都航空工業(yè)股份有限公司與巴基斯坦航空綜合公司聯(lián)合研制的K-8教練機(jī)的最大特點(diǎn)是小速度機(jī)動(dòng)、失速、起降等性能都非常出色，可完成只有少數(shù)第三代戰(zhàn)斗機(jī)才能進(jìn)行的“尾沖”等超常規(guī)機(jī)動(dòng)動(dòng)作。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，在進(jìn)行“尾沖”時(shí)，K-8先在低空大迎角爬升，發(fā)動(dòng)機(jī)推力不增加，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)速度減到零，爾后飛機(jī)自由向后下方滑降，待機(jī)頭轉(zhuǎn)向至下降方向，飛機(jī)再加速，恢復(fù)正常操縱。K-8自問(wèn)世以來(lái)，先后被俄、英、美等20多個(gè)國(guó)家的飛行員體驗(yàn)，普遍認(rèn)為該機(jī)飛行性能在國(guó)際同類教練機(jī)中處于領(lǐng)先水平，而機(jī)動(dòng)性和橫向操縱品質(zhì)尤為突出，特別是“尾沖”特技更是贏得了一致好評(píng)，在巴黎、新加坡等航展上飛行表演引起轟動(dòng)。從經(jīng)濟(jì)性方面看，K-8飛機(jī)也有較大的優(yōu)勢(shì)——油耗低，壽命長(zhǎng)，安全可靠，可維護(hù)性好，后勤保障人員少，出勤率高。該機(jī)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)出口最為成功的軍用飛機(jī)，已經(jīng)銷往巴基斯坦、斯里蘭卡、埃及、委內(nèi)瑞拉、津巴布韋等國(guó)，外銷數(shù)量已達(dá)數(shù)百架。在2010年珠海航展上，巴基斯坦的“雄獅”飛行表演隊(duì)再次將K-8的性能發(fā)揮得淋漓盡致。而所有這些，與該機(jī)出口型使用的美制TFE731-2A渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不無(wú)關(guān)系。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，堪稱飛機(jī)研制成敗的關(guān)鍵。早在K-8方案論證階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)國(guó)內(nèi)研制飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，明確提出新型噴氣教練機(jī)一定要選用成熟的動(dòng)力裝置，由于國(guó)內(nèi)無(wú)適用的發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)人員一開(kāi)始就把目光轉(zhuǎn)向國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1982年12月，K-8方案論證組成立，先后進(jìn)行了CJ610-8A、JT15D-5、TFE731-2A等發(fā)動(dòng)機(jī)的選型工作，相應(yīng)完成了三個(gè)設(shè)計(jì)方案。最初K-8方案是以已經(jīng)下馬的初教7（L-7）為基礎(chǔ)，選裝美國(guó)通用電氣公司的CJ610-8A渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。為此，洪都公司與通用電氣公司聯(lián)合進(jìn)行了飛機(jī)進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配試驗(yàn)，1985年8月制造出配裝CJ610-8A的木質(zhì)樣機(jī)。與此同時(shí)，洪都公司還進(jìn)行了配裝加拿大普惠公司JT15D、TFE731-2A發(fā)動(dòng)機(jī)的方案論證工作，然而JT15D-2/3推力太小，而JT15D-5當(dāng)時(shí)尚未成熟，沒(méi)有做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作。而生產(chǎn)TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)的美國(guó)加雷特渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司（現(xiàn)為霍尼韋爾有限公司）當(dāng)時(shí)態(tài)度比較冷淡，提供的資料較少，工作難以深入。直到1986年4月，空軍副司令林虎將軍在洪都視察時(shí)強(qiáng)調(diào)，該機(jī)的續(xù)航時(shí)間必須大于3小時(shí)，洪都公司才將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向配裝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。由于TFE731-2A的性能可以滿足空軍對(duì)飛機(jī)提出的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而此時(shí)加雷特公司又變得對(duì)合作相當(dāng)熱心，因此我方最終選用TFE731-2A發(fā)動(dòng)機(jī)，1986年年底結(jié)束了另外兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的引進(jìn)談判。1987年2月，洪都公司由副總工程師帶隊(duì)赴美，與加雷特公司簽訂了技術(shù)協(xié)議和商務(wù)合同。合同規(guī)定在研制階段，加雷特公司免費(fèi)提供3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)附件，推薦與發(fā)動(dòng)機(jī)配套的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、液壓泵和環(huán)境控制系統(tǒng)，并在飛機(jī)試飛階段免費(fèi)提供發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試工具。

因美國(guó)政府的限制，我軍裝備的K-8自用型號(hào)教8（K-8J或JL-8，又稱練-11），裝備的是仿制烏克蘭AI-25TL的渦扇-11（FWS-11）發(fā)動(dòng)機(jī)。由于此型發(fā)動(dòng)機(jī)性能略差，空軍“八一”飛行表演隊(duì)與失之交臂，卻沒(méi)影響K-8在國(guó)際市場(chǎng)的成功。

輕型機(jī)名牌動(dòng)力

加雷特集團(tuán)所屬航空研究公司于1946年開(kāi)始研究小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，很快發(fā)展成燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者。1994年，加雷特公司被美國(guó)聯(lián)信公司收購(gòu)。1999年6月，聯(lián)信公司和霍尼韋爾公司合并組成新的霍尼韋爾有限公司。目前，霍尼韋爾公司不僅是世界最具影響力的航空電子設(shè)備制造商，還是中小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要廠商。

小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)對(duì)象，既包括巡航導(dǎo)彈，也包括無(wú)人機(jī)（含靶機(jī)）、教練機(jī)和公務(wù)機(jī)。例如普惠公司研發(fā)的JT15D雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，既是意大利S.211單發(fā)高級(jí)教練機(jī)的動(dòng)力裝置，也是美國(guó)“比奇噴氣”400（改型成美國(guó)空軍T-1A教練機(jī)）、“霍克”400XP、“獎(jiǎng)狀”Ⅱ（550/S550）等公務(wù)機(jī)的動(dòng)力裝置，還被諾格公司的X-47A無(wú)人攻擊機(jī)驗(yàn)證機(jī)選中。

加雷特公司的TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)是世界著名的輕型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備教練機(jī)包括：中巴聯(lián)合研制的K-8單發(fā)教練機(jī)、中國(guó)臺(tái)灣的AT-3雙發(fā)高級(jí)教練機(jī)/近距支援飛機(jī)，西班牙研制的C.101單發(fā)教練機(jī)/近距支援飛機(jī)，阿根廷研制的IA63/AT-63單發(fā)高級(jí)教練機(jī)/輕型攻擊機(jī)，美國(guó)研制的T-33“天狐”雙發(fā)高級(jí)教練機(jī)（未批量生產(chǎn)），捷克的L-139“信天翁”單發(fā)教練機(jī)，伊朗的“鷹”單發(fā)教練機(jī)等。

此外，TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)也裝備了一系列公務(wù)機(jī)，主要有：法國(guó)達(dá)索的“隼”10/100/20/50/900，美國(guó)的“獎(jiǎng)狀”Ⅲ /Ⅵ/Ⅶ和“佩刀客機(jī)”65/85，加拿大龐巴迪公司的“利爾噴氣”31/35/36/45/55（其中35A型在美國(guó)空軍中被稱為C-21A、日本航空自衛(wèi)隊(duì)稱為U-36A），以色列的IAI1124“西風(fēng)”和“阿斯特拉”Ⅰ/Ⅱ（也就是“灣流”G100、G150和美國(guó)空軍的C-38A的原型）；英國(guó)的BAe.125-700/400/600/800（現(xiàn)美國(guó)雷錫恩公司“霍克”800“馴鷹者”，美國(guó)空軍使用的BAe.125-800A 為C-29A）。以上除“隼”50/900為三發(fā)飛機(jī)外，其余皆為雙發(fā)飛機(jī)。

由此可知，TFE731被認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)的公務(wù)機(jī)和教練機(jī)的動(dòng)力裝置，已有30余種飛機(jī)選用。截至2004年底，生產(chǎn)總計(jì)11058臺(tái)，預(yù)計(jì)到2014年還將生產(chǎn)3094臺(tái)。

加雷特渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司與瑞典沃爾沃航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司聯(lián)合在TFE731核心機(jī)（多轉(zhuǎn)子燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中由高壓壓氣機(jī)、燃燒室和驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)的高壓渦輪等三個(gè)部件以及有關(guān)附件組成）基礎(chǔ)上，衍生出TFE1042渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，被美國(guó)空軍編為F124的無(wú)加力型用于捷克L-159多用途作戰(zhàn)飛機(jī)/高級(jí)教練機(jī)、美國(guó)X-45A無(wú)人攻擊機(jī)驗(yàn)證機(jī)，臺(tái)灣省參與研制的帶加力燃燒室的TFE1042-70（美國(guó)空軍編號(hào)為F125）用于臺(tái)灣的IDF戰(zhàn)斗機(jī)。

TFE731技術(shù)探析

TFE731是加雷特公司為滿足20世紀(jì)七八十年代噴氣公務(wù)機(jī)的需要而研制的齒輪傳動(dòng)雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，研制于1969年正式開(kāi)始，首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)于1970年9月開(kāi)始試驗(yàn)。

當(dāng)時(shí)的公務(wù)機(jī)普遍裝備了以通用電氣公司CJ610、美國(guó)普惠公司JT12、英國(guó)羅#8226;羅公司“威派爾”等渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以及通用電氣公司CF700渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，普遍存在著噪聲大、經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)，業(yè)界普遍要求研制噪聲小、經(jīng)濟(jì)性好和安全可靠的新一代小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。之所以不是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，原因在于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)較之渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要差異是第一級(jí)或前幾級(jí)低壓壓氣機(jī)變成了風(fēng)扇，在風(fēng)扇最外端與原來(lái)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣之間就多出了外涵道，原來(lái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流經(jīng)的地方便成了內(nèi)涵道。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過(guò)外涵道和內(nèi)涵道的空氣流量之比，稱作涵道比或流量比。不同用途的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選用不同的涵道比。如遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)和客機(jī)使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比一般為4至8；戰(zhàn)斗機(jī)使用飛行阻力小的渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，涵道比大多小于1，甚至達(dá)到0.2至0.3。

由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多了個(gè)外部機(jī)匣，因此噪音下降，而且流經(jīng)風(fēng)扇和外涵道的氣流能夠產(chǎn)生相當(dāng)?shù)妮o助推力，在推力既定的情況下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率較低。另外，降低耗油率還能通過(guò)提高熱效率實(shí)現(xiàn)，這要求提高壓氣機(jī)的總增壓比（多轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)最后一個(gè)壓氣機(jī)出口總壓和第一個(gè)壓氣機(jī)進(jìn)口總壓之比）、渦輪前燃?xì)鉁囟群透鞑考男省w納起來(lái)，就是通過(guò)“三高”（高增壓比、高渦輪前燃?xì)鉁囟群透吆辣龋﹣?lái)實(shí)現(xiàn)“一低”（低耗油率）。

目前加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)總增壓比為25至35，高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比已達(dá)30至45。加雷特公司的設(shè)計(jì)人員將發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作范圍設(shè)定在飛行高度12200米、0.8馬赫。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)優(yōu)化結(jié)果，選擇了中等涵道比2.6（最新改型TFE731-60已達(dá)3.9）和中等總增壓比14（TFE731-60已達(dá)22）。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)外廓尺寸、重量和復(fù)雜性等因素，在總體結(jié)構(gòu)上選擇了齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇的雙轉(zhuǎn)子方案。為降低噪聲，TFE731沒(méi)有采用進(jìn)口導(dǎo)流葉片，增大了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片之間的軸向距離，選擇了最佳的轉(zhuǎn)子與靜子葉片數(shù)目搭配，并在風(fēng)扇進(jìn)口機(jī)匣敷設(shè)消聲材料。

TFE731的高壓壓氣機(jī)為單級(jí)離心式，因?yàn)樾〕叽绲膲簹鈾C(jī)使用離心式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，效率要高于軸流式壓氣機(jī)。TFE731的低壓壓氣機(jī)為4級(jí)軸流式，燃燒室采用回流環(huán)形，裝12個(gè)徑向安裝氣動(dòng)霧化噴嘴。燃燒室之后的高壓渦輪系單級(jí)軸流式，低壓渦輪系3級(jí)軸流式。受熱膨脹的高壓氣體在離開(kāi)燃燒室之后，高速流經(jīng)高壓渦輪和低壓渦輪，使高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪各自驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)，并通過(guò)行星齒輪帶動(dòng)風(fēng)扇。如此，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的一次熱力循環(huán)。

在TFE731開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員就將發(fā)動(dòng)機(jī)可維護(hù)性、性能和重量放在同等優(yōu)先的地位考慮。發(fā)動(dòng)機(jī)采用單元體結(jié)構(gòu)，附件集中裝在風(fēng)扇機(jī)匣下部。發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)來(lái)自該公司成熟的TPE331渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，低壓部件技術(shù)來(lái)自GTCP660輔助動(dòng)力裝置。研制中遇到的主要問(wèn)題是風(fēng)扇齒輪箱發(fā)熱量過(guò)大，后分析表明是由于齒輪系統(tǒng)內(nèi)剩余滑油的渦流損失和嚙合處剪切力過(guò)大。通過(guò)修改潤(rùn)滑系統(tǒng)，選擇最佳噴射滑油位置，采用擋油圈以減少滑油損失，并在行星齒輪中設(shè)置泄油通道等，問(wèn)題得到解決。

1972年8月，第一個(gè)生產(chǎn)型TFE731-2裝在法國(guó)達(dá)索公司“隼”10公務(wù)機(jī)上驗(yàn)證，取得了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）適航證。為滿足20世紀(jì)70年代初一些中型公務(wù)機(jī)增加推力的要求，TFE731-2型提高了渦輪進(jìn)口溫度，改進(jìn)了燃燒室，采用一種12瓣的排氣混合器，結(jié)果使耗油率下降4%，推力提高10%，該進(jìn)成TFE731-3型。這是該公司實(shí)施美國(guó)航空航天局（NASA）小噪聲、低污染通用航空渦扇(QCGAT)計(jì)劃的直接結(jié)果，1974年年底交付。之后，加雷特公司相繼推出了TFE731-4/5/20/40/50/60等型別。

新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)（FADEC），除了做動(dòng)筒和油泵等部件外，運(yùn)算功能和控制全部由數(shù)字電子計(jì)算機(jī)完成，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械-液壓式控制和模擬式電子控制難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的潛能，其控制精度可達(dá)±1%。在飛機(jī)起飛、爬高、加速和平飛時(shí)可以選用最大推力模式，推力增加10%；在飛機(jī)巡航時(shí)可選用最經(jīng)濟(jì)巡航模態(tài)，耗油率在亞音速條件下可降低3%，在超音速條件下可降低8%。FADEC還能減輕駕駛員的疲勞，且由于保護(hù)措施齊備，可靠性高。從TFE731-5開(kāi)始，加雷特公司開(kāi)始采用FADEC裝置，K-8使用的TFE731-2A發(fā)動(dòng)機(jī)也可選裝。

以TFE731-2A發(fā)動(dòng)機(jī)為例：長(zhǎng)1522毫米，寬869毫米，進(jìn)口直徑716毫米，空機(jī)重350公斤，最大起飛推力16.01千牛（約合1635公斤），巡航推力（高度12200米，M0.8）3.54千牛，推重比4.67。

結(jié)語(yǔ)

TFE731-2A雖然沒(méi)能裝備中國(guó)空軍，但卻保證了K-8出口型大放異彩，相信隨著中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)逐漸成長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)在不久的未來(lái)也會(huì)擁有趕超TFE731-2A技術(shù)水平的先進(jìn)型號(hào)，促進(jìn)中國(guó)輕型飛機(jī)大發(fā)展的時(shí)代到來(lái)。