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我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機

作為世界上最大的轟炸機,圖160長54.095米、最大翼展55.7米、高13.2米,比美國B-1轟炸機大將近35%,最大起飛重量275噸,最大載油160噸,航程16000公里,比B-1多出將近45%,最大速度2.3馬赫,比美國B-1快80%。圖160的效能之所以如此強悍,是因為它有著強勁的心臟,那就是四臺單臺加力推力高達25噸HK321渦扇發動機。

我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機


世界上最大的轟炸機圖160

HK321發動機的研發者是前蘇聯的庫茲涅佐夫設計局(現為薩馬拉“勞動”科研生產聯合體),該設計局產品的編號字首是俄文字母的НК-(英文文獻寫成NK—),Н是總設計師庫茲涅佐夫的名字“尼古拉”的俄文字頭,К是庫茲涅佐夫的姓的俄文字頭。

HK321是在HK-32燃氣發生器的基礎上發展而來的,它採用了獨特的三轉子結構。只有英國和蘇聯選擇了在三轉子這條充滿荊棘的道路上嘗試一番。英國研製出了RB211發動機,蘇聯除了HK321之外,還有著名的D18T,即世界最大運輸機安225的動力系統,蘇聯雖然技術水平較低,卻因比較保守的選擇了較小的涵道比,總體上反而更加成功。 1980年第一臺HK-321原型機試驗,1986年就投入生產,進度非常驚人。

我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機


三轉子渦扇發動機的複雜結構

三轉子發動機是在雙轉子渦扇發動機風扇和高壓壓氣機這兩個轉子的基礎上,插入了一組“中壓壓氣機”,風扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機分別由低壓、中壓、高壓渦輪以各自不同的轉速驅動。三個轉子對應三根套在一起的傳動軸,三者並行不悖,各自處於效率最高的最佳轉速。

我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機


靜態展示的HK321發動機

先看低壓轉子。由兩級低壓渦輪驅動3級風扇,以HK321發動機1460毫米的直徑,它的風扇直徑也要比AL31F大得多,因此需要兩級低壓渦輪驅動。風扇是HK321直徑最大的部件,這裡的空氣流量最大,但被一分為二,一部分繞過內涵道經外涵道參與加力燃燒或直接噴出,另一部分進入內涵道被逐級加壓,在燃燒室內燃燒。

再看中壓轉子。由單級中壓渦輪驅動5級中壓壓氣機,中壓轉子的轉速居於風扇與高壓轉子之間,由風扇進入內涵道的氣流在這裡被進一步加壓。低壓和中壓渦輪葉片均採用定向凝固材料製造。

最後是高壓轉子,由單級高壓渦輪驅動7級高壓壓氣機,高壓渦輪是整個HK321發動機中溫度最高(1357℃)、轉速最快的地方,因此高壓渦輪葉片採用單晶材料製造,且需空氣冷卻。

我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機


三轉子發動機剖面圖

三個轉子可分別處於不同的轉速,按照風扇<中壓<高壓的次序遞增,內軸是低壓渦輪帶動風扇的傳動軸,轉速最低。中軸是中壓渦輪帶動中壓壓氣機的傳動軸,轉速次之。外軸是高壓渦輪帶動高壓壓氣機的傳動軸,轉速最高。三根傳動軸的轉速能靈活調節,可使壓氣機獲得極高的喘振裕度,避免了採用級間放氣抗喘造成的氣流動能損失,HK321因此獲得了高達28.4的總壓比,遠遠超過了AL31F的23。另外,三個轉子分別在最佳轉速下工作,還能使轉子的級數、葉片數和可調葉片數減少,HK32達到7.35的推重比與此不無關係。

我國至今仍需仰望的動力巔峰:圖160的HK321三轉子發動機


圖160的四臺HK321發動機

但採用三轉子結構也會付出不菲的代價,HK321內、中、外三根套在一起的傳動軸以大功率高速旋轉,需要承受很大負荷。從結構動力學角度來說,在三個轉子的互相擾動、軸系的支撐和潤滑、轉速統籌等方面,需要克服的困難無法想象。直到現在,三轉子結構對任何國家仍然都是一個嚴重的技術挑戰,說它是人類機械的巔峰並不為過。

分類: 軍事
時間: 2021-08-05

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