基本介紹
- 中文名：AL-31F
- 產品定義：渦扇發動機
- 最大加力推力：(daN)12258
- 中間推力：(daN7620
- 加力耗油率：[kg/(daN·h)] 2.00
- 中間耗油率：[kg/(daN·h)] 0.795
- 最大空氣流量：(kg/s) 112.0
- 渦輪進口溫度：(℃) 1392
- 最大直徑：(mm) 1300
- 長度：(mm) 4950
- 質量：(kg) 1530 (按前蘇聯標準)
- 風扇參數：4級軸流式，增壓比為3.6
- 套用機型：蘇-27、蘇-30、蘇-33等
- 原產國：俄羅斯
介紹,簡介,技術數據,結構和系統,發動機,發展思維,探討,結束語,續篇,
介紹
蘇-27系列飛機是當今世界上典型的第四代殲擊機，自該機問世以來，曾經創造了快速爬高的多項世界紀錄，普加喬夫駕駛的蘇-27飛機還首創了著名的高難度"眼鏡蛇"機動飛行動作。據報導，早在1988年已估計有三四百架蘇-27戰機在蘇軍中服役。此後，該系列飛機不僅部署到獨立國協國家，而且還成功地出口到俄羅斯境外的包括印度和中國在內的一些國家。這些業績的取得，都與該系列戰機的動力裝置AL-31F發動機有密切關係。AL-31F除了用在雙發布局飛機之上，還推出了可用在單發布局飛機上的改型發動機AL-31FN。作為中國空軍第四代戰鬥機的唯一動力系統，AL-31系列發動機在中國空軍中扮演著至關重要的地位。因此，AL-31F的過去、現在和未來的發展引起了人們的關注。
簡介
AL-31F是由俄羅斯留里卡"土星"科研生產聯合體研製的帶加力燃燒室的渦扇發動機。該聯合體前身是留里卡設計局，組建於1946年，是前蘇聯的主要戰鬥機發動機設計局。在上世紀60年代，留里卡研製了AL-21F系列渦輪噴氣發動機，其最大加力推力達11000daN。1970～1974年投入生產，廣泛用於蘇-17、蘇-20、蘇-22、蘇-24和米格-23戰鬥機上。在AL-21基礎上，1976年（另一說法是1973年）留里卡開始研製AL-31F發動機。1985年該發動機研製達標後，用於蘇-27、蘇-30和蘇-35戰鬥機。
AL-31F的結構形式是雙轉子加力式渦扇發動機。推力範圍：加力12250daN，中間7620daN。每台價格300萬美元。AL-31F有一些改進型，其中包括帶矢量推力噴管的改進型AL-31FP發動機。
從總體上講，作為蘇-27戰機的專用動力裝置AL-31F發動機，其性能是優良的，具有明顯優勢。
（2）穩定性高。可使用在蘇-27飛機的各種飛行高度和速度下，即使飛機在以M2的速度進入平螺旋、直螺旋、翻轉螺旋和進氣道喘振的情況下，發動機工作仍然極其穩定。喘振消除系統、空中自動點火系統、主燃燒室和加力燃燒室的再次啟動系統等可保證在使用機載武器時動力裝置的工作可靠性。
（3）維修簡便。該發動機採用單元體結構，由14個單元體組成，因此，如果出現某些損壞，不需要全部更換，只替換下有故障的單元體即可。這樣，在使用條件下進行發動機維修時，可更換其中的6個單元體。
（4）使用壽命長。AL-31F可根據其技術狀況而使用，只要發動機還正常，就可以一直使用下去，而現代化水平的診斷設備可保證飛行安全。但其使用壽命也有一個限度，一般認為該發動機第一次維修前的使用壽命可達1000h，總使用壽命應該不少於10年。
技術數據
最大加力推力 12258
中間推力(daN) 7620
加力耗油率[kg/(daN·h)] 2.00
中間狀態耗油率[kg/(daN·h)] 0.795
推重比 8.17(按前蘇聯關於發動機乾質量標準)
7.14(按國際上一般規定計算)
空氣流量(kg/s) 112.0
涵道比 0.60
總增壓比 23.8
最大直徑(mm) 1300
1750 (按國際上一般規定)
結構和系統
進氣口
進氣機匣為全鈦結構，有23個可變彎度的進口導流葉片，導流葉片前緣固定，由來自高壓壓氣機第7級的空氣防冰，後部則為可調葉片。整個風扇為全鈦結構。前3級轉子葉片帶有阻尼凸台。整個風扇轉子用電子束焊焊為一個整體構件。第4級轉子葉片對應的外機匣上，帶有機匣處理環腔，開有400個斜槽，用以提高風扇的穩定工作裕度。第4級出口整流葉片為雙排的串列葉柵。
高壓壓氣機
9級軸流式。第1～3級盤用電子束焊焊在一起，而第4～6級盤同樣用電子束焊焊為一個整體。第7～9級則為單盤，而用長螺栓與6級盤連在一起，第1～6級盤為鈦合金構件，第7～9級則用耐熱合金製成。第1～5級轉子葉片用鈦合金製成，第6～9級轉子葉片用耐熱合金製成。所有9級的榫頭均為環形燕尾槽式榫頭。進口導流器和1級導流器均由鈦合金製成並裝在一個由鈦合金製成的前機匣上。進氣導流器和第1～2級導流器，共三排是可調的。1～8級導流器均為懸臂式結構，出口導流器也是雙排串列葉柵。
燃燒室
環形。有28個雙油路離心式噴嘴，兩個點火裝置和半導體電嘴。
渦輪
高低壓渦輪均為單級。高壓渦輪導向器共有14組，每組3個葉片。高壓渦輪轉子葉片共90片，不帶冠，榫頭處帶有減振器。低壓渦輪導向器共11組，每組亦為3個葉片。轉子葉片亦為90片，帶冠。低壓渦輪軸的特點是前後分為三段，前、後段由耐熱不鏽鋼製成，中段由鈦合金製成，三段間以“叉型”結構用徑向銷釘連為一體。高、低壓渦輪的4排葉片均為氣冷式葉片，總冷氣量占內涵空氣流量的17.5%，其中直接引自第二股氣流的為7.5%，主要冷卻高壓渦輪導向器前緣等處，另一股氣流為8.9%，自燃燒室機匣外壁處引出，經設定在外涵流路中的空氣－空氣換熱器冷卻，可使冷卻空氣降溫125～210℃，這些空氣中，占內涵流量的6.4%經高壓導向器的中腔進入，除用於冷卻導向葉片外，有4.6%進入高壓渦輪盤前，並有3.2%的空氣用於冷卻高壓渦輪轉子葉片。低壓渦輪轉子葉片用外涵空氣進行冷卻。冷氣經渦輪後機匣支板引入內部，經低壓渦輪盤上的一些徑向斜孔的泵效應增壓，再進入低壓渦輪葉片。
加力燃燒室
進口處有混合器，分5區供油，其中第5區為加力起動區，採用“熱射流”方式點火。火焰穩定器有3圈“V”形穩定器，並有一些徑向傳焰槽。防振措施為全長防振屏並在內尾錐處開有大量的防振孔。
尾噴管
控制系統
基本部分為機械－液壓系統，包括主泵－主調節器、加力泵和加力供油和噴口控制等主要附屬檔案。還具有稱為綜合控制器的模擬式電子控制裝置，控制發動機的主要工作狀態的極限值，並有其他多種功能。當電子系統出現故障時，便自動轉換由機械－液壓系統控制。還具有多項參數的監測系統，以及前蘇聯發動機特有的防喘系統和渦輪冷卻氣控制系統等。
發動機
AL-31F本來是雙發布局的蘇-27系列戰鬥機的專用發動機，為使它能在中國空軍的殲10戰鬥機上使用，留里卡設計局"禮炮"（Salut）公司幾年前推出了AL-31F的改型發動機AL-31FN。該型發動機的特別之處是：將發動機附屬檔案傳動箱從附著在發動機上面，移到附著在發動機的下面，而飛機附屬檔案傳動機匣還是安裝在發動機上面。這樣處置是為了滿足客戶要求。
AL-31FN發動機
AL-31FN發動機從俄羅斯"禮炮"公司2002年11月提供的資料來看，由俄方改型專供出口的AL-31FN發動機性能、尺寸和質量的數據，與原型的AL-31F發動機只有很少的區別。
由於從雙發配置改為單發配置的飛機使用，發動機附屬檔案得以簡化，又由於AL-31FN發動機拆去了內外涵流道的分流隔板，使得發動機重量減輕了一些。但由此帶來的一些負面影響，仍有待深究。另一不足之處是AL-31FN的燃油消耗率也略有提高，因此，AL-31F系列發動機仍有性能改進的必要。
發展思維
AL-31F發動機已經生產20多年了。上世紀90年代，"禮炮"公司把頭幾批AL-31F提供給前蘇聯空軍，安裝在雙發布局的蘇-27型殲擊機上。儘管"禮炮"公司進行了產品質量跟蹤、預防檢修和定期維護，但是維修措施並不能保障該發動機永久使用。因此，為了適應新世紀的戰爭環境，"禮炮"公司在本世紀初已建議俄國空軍按三個階段改進AL-31F發動機。
1.第一階段
第一階段的改進已經完成，只改變了"通風機"--風扇的兩端部件,推力提高了600～700kg。2002年1月，該改型在兩架蘇-27飛機上進行了綜合飛行試驗，第二架飛機用於進行國家試驗，2002年12月按計畫結束。飛行研究結果證實了初始計算指標，即安裝有兩台AL-31F-M1改進型發動機的蘇-27飛機，在11000m高度上從300km/h加速到1200km/h飛行速度的時間比原型飛機減少了26s。由此，可使飛機在空戰中更具有加速性好的優勢。
2.第二階段
3.第三階段
有原則性變化：安裝俄羅斯第五代發動機零件。其中如把第一改進階段上使用的四級壓縮風扇換成大行程葉片的"通風機"，葉片與葉輪合為一體。經過第三階段改進後，發動機推力將增加到14600kg，使蘇-27飛機的性能大大改善，而發動機的保險壽命和規定壽命並沒有改變。改進型AL-31F-M1發動機與現役的AL-31F發動機完全可以互換 值得關注的是，俄領土上幾乎沒有高海拔機場，而使用蘇-27型系列飛機的其他國家有這種機場，其海拔在3500m左右。AL-31F原型發動機的啟動機只能在海拔2500m以下起作用。為此，"禮炮"公司研製了能在海拔3500m以上啟動發動機的啟動機。它與現役的啟動機完全可以互換，並已通過了俄國家試驗。
另外，"禮炮"公司還可提供適用於單發飛機上的帶可控推力矢量噴口的AL-31F改進發動機。該噴口已進行了400h的單獨調試和特種試驗，近期還將進行帶有這種噴口發動機的500h內的長期試驗。
AL-31F的電子控制系統的研製工作正與發動機改進工作並行開展。
探討
綜上所述，對於蘇-27系列戰鬥機而言， AL-31F發動機無疑是一台優秀的第四代軍用渦扇發動機，由於它在蘇-27及其改進型蘇-30MK、蘇-33和蘇-35等型號上的採用，預計該型號的改進型發動機直至2015年左右仍可在國際軍機發動機市場中占有一席之地。如果上述的三個階段的改進計畫都能順利完成，AL-31F系列發動機在國際市場上將具有較強競爭力。
但是作為國際上第四代發動機，AL-31F仍有多項參數指標不盡如人意。從表2的比較中，不難看出，為了適應21世紀的戰爭環境，早期的AL-31F發動機已非改進不可，而推重比和啟動機的啟動海拔高度偏低則是它的最主要問題。
有關資料表明，俄羅斯軍用渦扇發動機性能和使用壽命與歐美國家同一代發動機相比有一定的差距。以美國普·惠公司仍在生產的F100系列渦扇發動機為例，它於1970年3月開始全面研製，1974年11月交付空軍使用，主要裝備F-15和F-16飛機，是世界上最早投入使用的推重比達8的軍用發動機。
AL-31F與F100-PW-229同為國際上第四代戰鬥機的渦扇發動機，相比之下，在發動機設計參數的選擇中，F100-PW-229比AL-31F要略勝一籌，也就是說，俄制AL-31F發動機在總增壓比、中間耗油率、涵道比、質量，乃至控制系統等方面還存有不同程度的發展空間。這也許是"禮炮"公司建議俄國空軍按三個階段改進AL-31F發動機，並得到軍方採納的依據所在。
據業內資深人士分析，要提高AL-31F的推力等級，俄方可能會採用：提高風扇通氣流量；提高渦輪前的進氣溫度；改善燃燒室組織燃燒的質量，擴大穩定燃燒的工作範圍；改善渦輪冷卻氣流控制系統等技術途經。
在控制系統方面，今後則很可能從早期的機械液壓式控制燃油和噴口面積，改進為數字式電子控制系統，甚至是與F100-PW-229發動機相當的全許可權數字式電子控制系統，使之具有綜合診斷和與飛機控制系統交聯的能力。
結束語
透過俄軍方按三個階段改進AL-31F來提高蘇-27系列戰機作戰能力與生存能力的計畫，不難看出，俄方為適應21世紀的戰爭新環境，正在走一條與美國研發新機大不相同的發展道路；這就是在俄羅斯目前"有技術，缺資金"的國情之下，不優先研發第五代新機，而是通過對具有國際第四代水平的有潛力可挖的優秀機種（如蘇-27）的有限改進，來較快地實現空軍武器裝備的現代化。俄空軍把改進動力裝置性能作為提高戰機性能的首選，表明了動力裝置的改善在俄制戰機性能提高方面是舉足輕重的。這一思路，也許值得開發中國家，尤其是俄制戰機用戶國家參考。
相信隨著AL-31F改進型（如AL-31F-M1）高空加速性能、推力等級的提高，以及發動機啟動高度提升到海拔3500m以上的實現，不僅將進一步打開在國際上價位較低的蘇-27/蘇-30系列戰機的外銷市場，而且也有利於有高海拔機場的用戶在其國土上的全疆域部署。
從技術層面來看，AL-31F發展新思維的實現，除了採用高效率核心機、增大風扇流量和改善燃燒室（含加力室）燃燒質量的技術外，今後的設計改進，在參數選擇上還將注重採用高增壓比、高渦輪前溫度和低涵道比這樣的策略；採用全許可權數字式電子控制系統應是它的發展方向；便於保養與維修的單元體結構設計也將進一步得到最佳化。
雖然AL-31F性能不夠理想，各方面還有待發展，但它仍有不少成功的設計經驗值得我們學習與借鑑，它的發展新動向，更值得我們關注。預計，如果AL-31F三年發展計畫順利實現，再配置現有的三元矢量推力噴管，將有可能使蘇-27發展型飛機在高機動性和高敏捷性方面，直逼F/A-22戰機的水平。
