蘇聯的大型運輸機心臟:中國運-20使用的WS-18跟其有淵源
上世紀60年代,西方國家的渦輪風扇發動機已經得到了廣泛的運用,普惠公司的JT3D系列渦扇發動機是最為突出的代表。渦扇發動機也帶動了民航運輸業的發展。1960年蘇聯領導人赫魯曉夫訪問法國期間,乘坐了法國製造的「卡拉維爾」民航客機,該飛機在飛行過程中的安靜平穩給赫魯曉夫留下了深刻的印象。
赫魯曉夫在1960年8月1日指示蘇聯航空部門要開展新一代噴氣式民航客機的研發工作,要與西方民航機舒適度媲美,並用該機替代此時仍然在蘇聯國內航線大量服役的伊爾-14活塞式民航機。1961年,蘇聯民航局向圖波列夫設計局提交了設計任務書,提出了更大的有效載荷和載客量的需求。
代號為SSSR-45075的圖124A的原型機在1963年7月29日首飛,但在僅僅不到3個月後,英國的一架BAC1-11客機在起飛後失速墜毀。研究人員分析後認為,由於該機的T型平尾面積太小,導致了由機翼引發的湍流無法恢復穩定,使飛機失速。而圖124A採用了與BAC1-11相同的T尾和發動機後置的設計,圖波列夫設計局只能推翻原始設計,將圖-124A的平尾面積增加30%,同時將其改名為圖-134。由於蘇聯民航對飛機尺寸的要求進一步提升,索洛維約夫設計局基於D-20P設計的D-30渦扇發動機就這樣走上了歷史的舞台,成為了圖-134的動力配備。
隨著圖-134的改進,D-30也在不斷的進步,其初型不帶反推力裝置,這造成降落滑跑距離較長,在某些跑道的較短的機場降落時,必須使用減速傘。而在繁忙的民用機場使用減速傘並不合適。基於上述考慮,D-30發動機進行了第一次改進,升級為D-30-2發動機,增加了反推力裝置,並於1970年投入使用,配套於改進後的圖-134A。
D-30發動機在圖-134客機上獲得成功後,成為當時蘇聯產量最大的渦輪風扇發動機,成熟可靠的表現使得多款設計中的飛機對其產生了興趣,比如軍用運輸機伊爾-76。但對於飛行包線在亞音速範圍內的大部分運輸機而言,高涵道比帶來的阻力上升。因此運輸機採用大涵道比渦扇發動機成為了必然趨勢。在這樣的時代背景下,索洛維約夫設計局基於D-30開展了適應於運輸機的較高涵道比大推力渦扇機的研製工作,即D-30K系列。
與D30的差別很大,其外形尺寸比D-30大了許多,也沒有多少通用的零件。D-30K可以認為是一款全新的發動機,其進氣機匣直徑由D-30得1050毫米上升到了1560毫米,迎風面積達到了D-30的2.2倍,涵道比上升到了2.36,大大高於D-30原形機的1左右,接近西方高涵道比發動機的3-8一級。此前制約蘇聯發展大涵道比發動機的關鍵在於大尺寸風扇葉片的製造技術,而D-30K的問世說明蘇聯在此領域已經取得了突破。
D-30K採用了3級軸流式風扇,11級軸流式高壓壓氣機,由12個火焰筒組成的環管型燃燒室,2級軸流式氣冷高壓渦輪,4級軸流式不冷卻低壓渦輪。在D-30的基礎上對風扇和壓氣機進行了重新設計,將總增壓比由17.65提高到了20。大尺寸風扇使D-30K的空氣流量從126.8千克/秒大幅度增加到了269千克/秒,最大推力也由66.68千牛,提高到了107.90千牛,邁入了110千牛推力的級別。而為了適用於蘇聯新一代的大型軍用運輸機伊爾-76,索洛維約夫設計局對D-30KU進行了增推改進,在1972年推出了D-30KP發動機。
軍用運輸機經常需要再環境惡劣的前線野戰機場使用,起降距離要儘可能短。因此D-30KP系列首要的設計目標就是提高起飛的推力。由於留給索洛維約夫設計局的時間僅有一年,因此最為直接的措施就是提高渦輪前溫度。此方案可以直接提高發動機的循環功率,進而增加發動機的推力。但提高渦輪前溫度就意味著要渦輪部件承受更大的熱載荷,著影響到了發動機的壽命和可靠性。D-30KP主要修改了渦輪部件的設計,更換了材料,使渦輪前溫度由1385K提高到了1427K,由此浮出的代價就是發動機的首次翻修周期由3000小時下降至2000小時,總壽命由18000小時下降到6500小時,對發動機使用維護成本產生了巨大的影響。但這也是當時條件下的設計周期最短,最便捷的選擇。
在D-30KP進入批產後,索洛維約夫設計局即著手開展其後續的改進型研製,設計目標是在不降低發動機性能的同時,提高可靠性和降低使用成本。經過優化設計,所研製出的D-30KP-2渦輪前溫度變為1356K,首翻期變為3000小時的水平,最大推力增加到了125千牛。D-30KP-2在1980年研製成功並投入使用,取代了D-30KP-1成為了伊爾-76運輸機的主動力裝置,並一直使用到今天。
而中國運-20使用的ws-18就是參照D-30KP-2進行仿製的,所以說這種發動機跟中國關係還相當深。
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