說起大推力加力式渦扇發動機,很多人都會想到美國F35隱身戰機裝備的那臺地面臺架試驗中,加力推力曾高達20.8噸的F135渦扇發動機,但是縱觀全球世界上推力最大的加力式渦扇發動機,並不是F135,而是現階段裝備在圖160戰略轟炸機上的NK32加力式渦扇發動機。這款渦扇發動機到底有多恐怖呢?其加力推力高達25噸,四臺發動機就能讓最大起飛重量275噸的圖160飛出將近3馬赫的飛行速度和高達1.4萬公里的作戰航程優勢。
為什麼說圖160戰略轟炸機裝備的NK32加力式渦扇發動機,就算是放在40年後的今天,其整體設計依然領先全球呢?
通常情況下,不管是殲擊機還是戰略轟炸機要想超音速飛行,除了自身的氣動阻力要低以外,更重要的是其發動機的推力要足夠大的同時,涵道比還不能太大,比如F22隱身戰機裝備的F119發動機加力推力高達15.5噸,其涵道比只有0.3,所以F22隱身戰機的最大飛行速度高達2馬赫以上。
其次要想降低油耗,發動機的涵道比就要設計得更大一些,像民航客機裝備的渦扇發動機推力能夠達到四五十噸,就是因為其增大的外涵道比貢獻了大部分推力,但是涵道比增大後飛行阻力就會很大,F135雖然加力推力高達20.8噸,但是其是故意放大涵道比得到的大推力,為此F35隱身戰機的最大飛行速度只有1.8馬赫。也就是說要想飛行速度快,涵道比就要越小,但是要想省油涵道比就不能太大,所以這種魚和熊掌不可兼得的問題似乎成為了永遠不可能實現的夙願。
但是裝備NK-32渦扇發動機的圖160卻可以同時做到最大飛行速度3馬赫和超過1.4萬公里的不空中加油飛行能力的背後,是NK32渦扇發動機特殊的“三轉子”硬體設計優勢。
最早的渦噴發動機採用的是單轉子結構設計,也就是發動機內部的渦輪風扇和壓氣機都是硬連結在一個軸上的,這種設計最大的優勢就是結構簡單,但是缺點則是油耗太大,而且發動機熱端的渦輪和冷端的壓氣機風扇葉片因為各自的流量不同,所需的轉速不一樣,但是單轉子卻做不到不同轉速,所以單轉子發動機還存在發動機容易喘振、空中停車的風險。
所以為了省油和提升發動機的安全穩定性,採用了兩根軸的雙轉子發動機應運而生,其相比單轉子發動機最大的不同就是,雙轉子發動機的高壓渦輪和高壓壓氣機是透過一根軸連線在一起的,這樣高壓壓氣機的轉速更高、壓比更大,推力更強;而最前端的風扇則是和低壓壓氣機透過一根同心軸連線在一起的,這樣風扇葉片的轉速相比壓氣機更低一些,進氣效率也更高一些。由於高低壓氣機和高低壓渦輪、風扇葉片分別工作在較為理想的轉速下,所以工作效率提升的同時推力增大了、油耗卻降低了,而且壓氣機工作在理想轉速下,也就不容易發生喘振、甚至空中停車了。
雙轉子結構雖然已經儘可能地讓不同的壓氣機和渦輪工作在了理想轉速區間,但是發動機在正常執行過程中,發動機內涵道的壓力是越往後隨著壓比級數的增加逐漸上升的,但是其壓氣機上的十幾組壓氣機葉片因為都在同一根軸上,所以整個高壓壓氣機雖然擁有近10組甚至更多的葉盤,但是都是在同一轉速下執行,也就使得發動機內部的壓比不能提升的更高,發動機的工作效率也就不能提升到更高。
而解決這個問題的方法就是讓需要不同轉速的高壓壓氣機前後部分能夠在不同轉速下執行,所以就需要將高壓壓氣機拆分為前後兩個壓氣機結構,也就組成了低壓、中壓、高壓三組分別工作在不同轉速下的“三轉子結構”,由於其中壓和高壓轉子分別工作在更為理想的轉速下,所以其執行效率更高,壓比更大、推力更大的同時,也就更省油,而且各組轉子都執行在接近最佳轉速下,所以發動機發生喘振的機率也就更低了。
所以採用三轉子結構設計的NK32發動機,雖然其採用的仍然是重量很大的實心葉片,但是因為其發動機工作效率更高,所以其推重比也更大,這也是四臺NK32既能讓重達275噸的圖160戰略轟炸機飛出將近3馬赫、並且最大航程還能達到上萬公里的原因所在。
那麼為什麼其他國家的航空發動機沒有這種設計呢?其實三轉子結構並不是蘇聯一家獨享,現階段三分天下的英國羅羅公司,當年的奠基之作RB211航空發動機就採用了三轉子結構設計,這也使得RB211能夠憑藉更省油、更高效的執行效率優勢擊敗美國GE的CF6,成功和美國的GE和普惠三分民用大涵道比渦扇發動機市場。
此後的瑞達系列發動機依然延續了RB211的三轉子結構設計,雖然三轉子結構相比雙轉子結構更為複雜一些,但是羅羅的瑞達系列發動機每一款都要比同級別的其他發動機有優勢,比如裝備在B777客機上的瑞達800發動機是波音777所選的最輕發動機,比GE90輕0.6噸,比PW4090輕0.45噸,節省的重量轉化為更多的有效載荷,每架飛機每年可以為航空公司多賺取至少20萬美元。
但是為啥沒有軍用加力式渦扇發動機採用三轉子結構呢?這個就和材料有直接關係了,因為蘇聯的鈦材料資源豐富,同時蘇聯的鈦材加工技術一直也是世界頂流,比如蘇聯全鈦材料製成的“共青團員”級攻擊核潛艇,使用了鈦合金製成的潛艇耐壓殼體,其最大下潛記錄高達1000米,作為對比美國的核潛艇最大下潛深度只有400米。
所以擁有頂級鈦材礦產和鈦合金加工製造技術的蘇聯人,在NK32發動機使用的渦輪盤和風扇葉片中,加入了大量的鈦合金,這樣設計後雖然NK32的發動機葉片還是實心結構,但是其重量仍然很輕,而且鈦合金葉片耐高溫效能也更強,所以NK32的發動機才敢用結構複雜、自重要比雙轉子結構更大的三轉子結構設計。
反觀其他國家、包括美國在內沒有優秀的鈦合金礦產和精加工技術,所以也就不敢輕易上馬三轉子結構的加力式渦扇發動機了,而這就是為啥NK32發動機面世將近40年了,時至今日仍然技術超越全球的核心原因。