TFE731:外貿型K-8教練機的動力解析

在歷屆中國國際航空航天博覽會上，俄羅斯的蘇-27和米格-29戰斗機，印度的HJT-16教練機，我國的殲-7EB和殲-10戰斗機等都為參觀者帶來了亢奮的視覺沖擊。而在第8屆中國國際航空航天博覽會上，巴基斯坦空軍“雄獅”飛行表演隊使用K-8“喀喇昆侖”中級教練機進行了令人難忘的特技飛行表演，而這一切離不開它配裝的TFE731發動機。

K-8動力選型回顧

洪都航空工業股份有限公司與巴基斯坦航空綜合公司聯合研制的K-8教練機的最大特點是小速度機動、失速、起降等性能都非常出色，可完成只有少數第三代戰斗機才能進行的“尾沖”等超常規機動動作。據現場觀察，在進行“尾沖”時，K-8先在低空大迎角爬升，發動機推力不增加，當飛機到達頂點時速度減到零，爾后飛機自由向后下方滑降，待機頭轉向至下降方向，飛機再加速，恢復正常操縱。K-8自問世以來，先后被俄、英、美等20多個國家的飛行員體驗，普遍認為該機飛行性能在國際同類教練機中處于領先水平，而機動性和橫向操縱品質尤為突出，特別是“尾沖”特技更是贏得了一致好評，在巴黎、新加坡等航展上飛行表演引起轟動。從經濟性方面看，K-8飛機也有較大的優勢——油耗低，壽命長，安全可靠，可維護性好，后勤保障人員少，出勤率高。該機是當前國內出口最為成功的軍用飛機，已經銷往巴基斯坦、斯里蘭卡、埃及、委內瑞拉、津巴布韋等國，外銷數量已達數百架。在2010年珠海航展上，巴基斯坦的“雄獅”飛行表演隊再次將K-8的性能發揮得淋漓盡致。而所有這些，與該機出口型使用的美制TFE731-2A渦扇發動機不無關系。

航空發動機是飛機的心臟，堪稱飛機研制成敗的關鍵。早在K-8方案論證階段，設計人員根據國內研制飛機的經驗教訓，明確提出新型噴氣教練機一定要選用成熟的動力裝置，由于國內無適用的發動機，設計人員一開始就把目光轉向國外先進發動機。

1982年12月，K-8方案論證組成立，先后進行了CJ610-8A、JT15D-5、TFE731-2A等發動機的選型工作，相應完成了三個設計方案。最初K-8方案是以已經下馬的初教7（L-7）為基礎，選裝美國通用電氣公司的CJ610-8A渦噴發動機。為此，洪都公司與通用電氣公司聯合進行了飛機進氣道與發動機的匹配試驗，1985年8月制造出配裝CJ610-8A的木質樣機。與此同時，洪都公司還進行了配裝加拿大普惠公司JT15D、TFE731-2A發動機的方案論證工作，然而JT15D-2/3推力太小，而JT15D-5當時尚未成熟，沒有做進一步的設計工作。而生產TFE731發動機的美國加雷特渦輪發動機公司（現為霍尼韋爾有限公司）當時態度比較冷淡，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強調，該機的續航時間必須大于3小時，洪都公司才將重點轉向配裝渦扇發動機。由于TFE731-2A的性能可以滿足空軍對飛機提出的各項技術指標，而此時加雷特公司又變得對合作相當熱心，因此我方最終選用TFE731-2A發動機，1986年年底結束了另外兩種發動機的引進談判。1987年2月，洪都公司由副總工程師帶隊赴美，與加雷特公司簽訂了技術協議和商務合同。合同規定在研制階段，加雷特公司免費提供3臺發動機和相關附件，推薦與發動機配套的啟動發電機、液壓泵和環境控制系統，并在飛機試飛階段免費提供發動機推力測試工具。

因美國政府的限制，我軍裝備的K-8自用型號教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）發動機。由于此型發動機性能略差，空軍“八一”飛行表演隊與失之交臂，卻沒影響K-8在國際市場的成功。

輕型機名牌動力

加雷特集團所屬航空研究公司于1946年開始研究小型燃氣渦輪發動機，很快發展成燃氣渦輪輔助動力領域的技術領先者。1994年，加雷特公司被美國聯信公司收購。1999年6月，聯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備制造商，還是中小型燃氣渦輪發動機的重要廠商。

小型燃氣渦輪發動機的裝機對象，既包括巡航導彈，也包括無人機（含靶機）、教練機和公務機。例如普惠公司研發的JT15D雙轉子渦扇發動機，既是意大利S.211單發高級教練機的動力裝置，也是美國“比奇噴氣”400（改型成美國空軍T-1A教練機）、“霍克”400XP、“獎狀”Ⅱ（550/S550）等公務機的動力裝置，還被諾格公司的X-47A無人攻擊機驗證機選中。

加雷特公司的TFE731發動機是世界著名的輕型渦扇發動機，裝備教練機包括：中巴聯合研制的K-8單發教練機、中國臺灣的AT-3雙發高級教練機/近距支援飛機，西班牙研制的C.101單發教練機/近距支援飛機，阿根廷研制的IA63/AT-63單發高級教練機/輕型攻擊機，美國研制的T-33“天狐”雙發高級教練機（未批量生產），捷克的L-139“信天翁”單發教練機，伊朗的“鷹”單發教練機等。

此外，TFE731發動機也裝備了一系列公務機，主要有：法國達索的“隼”10/100/20/50/900，美國的“獎狀”Ⅲ /Ⅵ/Ⅶ和“佩刀客機”65/85，加拿大龐巴迪公司的“利爾噴氣”31/35/36/45/55（其中35A型在美國空軍中被稱為C-21A、日本航空自衛隊稱為U-36A），以色列的IAI1124“西風”和“阿斯特拉”Ⅰ/Ⅱ（也就是“灣流”G100、G150和美國空軍的C-38A的原型）；英國的BAe.125-700/400/600/800（現美國雷錫恩公司“霍克”800“馴鷹者”，美國空軍使用的BAe.125-800A 為C-29A）。以上除“隼”50/900為三發飛機外，其余皆為雙發飛機。

由此可知，TFE731被認為是一種標準的公務機和教練機的動力裝置，已有30余種飛機選用。截至2004年底，生產總計11058臺，預計到2014年還將生產3094臺。

加雷特渦輪發動機公司與瑞典沃爾沃航空發動機公司聯合在TFE731核心機（多轉子燃氣渦輪發動機中由高壓壓氣機、燃燒室和驅動高壓壓氣機的高壓渦輪等三個部件以及有關附件組成）基礎上，衍生出TFE1042渦扇發動機。其中，被美國空軍編為F124的無加力型用于捷克L-159多用途作戰飛機/高級教練機、美國X-45A無人攻擊機驗證機，臺灣省參與研制的帶加力燃燒室的TFE1042-70（美國空軍編號為F125）用于臺灣的IDF戰斗機。

TFE731技術探析

TFE731是加雷特公司為滿足20世紀七八十年代噴氣公務機的需要而研制的齒輪傳動雙轉子渦輪風扇發動機，研制于1969年正式開始，首臺發動機于1970年9月開始試驗。

當時的公務機普遍裝備了以通用電氣公司CJ610、美國普惠公司JT12、英國羅#8226;羅公司“威派爾”等渦噴發動機，以及通用電氣公司CF700渦扇發動機，普遍存在著噪聲大、經濟性差的缺點，業界普遍要求研制噪聲小、經濟性好和安全可靠的新一代小型渦扇發動機。之所以不是渦噴發動機，原因在于渦扇發動機的特殊結構和特點：渦扇發動機較之渦噴發動機的主要差異是第一級或前幾級低壓壓氣機變成了風扇，在風扇最外端與原來的渦噴發動機的機匣之間就多出了外涵道，原來渦噴發動機空氣流經的地方便成了內涵道。

渦扇發動機內通過外涵道和內涵道的空氣流量之比，稱作涵道比或流量比。不同用途的渦扇發動機應選用不同的涵道比。如遠程運輸機和客機使用的渦扇發動機的涵道比一般為4至8；戰斗機使用飛行阻力小的渦噴或渦扇發動機，涵道比大多小于1，甚至達到0.2至0.3。

由于渦扇發動機多了個外部機匣，因此噪音下降，而且流經風扇和外涵道的氣流能夠產生相當的輔助推力，在推力既定的情況下，渦扇發動機的耗油率較低。另外，降低耗油率還能通過提高熱效率實現，這要求提高壓氣機的總增壓比（多轉子壓氣機最后一個壓氣機出口總壓和第一個壓氣機進口總壓之比）、渦輪前燃氣溫度和各部件的效率。歸納起來，就是通過“三高”（高增壓比、高渦輪前燃氣溫度和高涵道比）來實現“一低”（低耗油率）。

目前加力渦扇發動機的壓氣機總增壓比為25至35，高涵道比渦扇發動機的總增壓比已達30至45。加雷特公司的設計人員將發動機主要工作范圍設定在飛行高度12200米、0.8馬赫。根據發動機熱力循環優化結果，選擇了中等涵道比2.6（最新改型TFE731-60已達3.9）和中等總增壓比14（TFE731-60已達22）。考慮到發動機外廓尺寸、重量和復雜性等因素，在總體結構上選擇了齒輪傳動風扇的雙轉子方案。為降低噪聲，TFE731沒有采用進口導流葉片，增大了風扇轉子葉片與靜子葉片之間的軸向距離，選擇了最佳的轉子與靜子葉片數目搭配，并在風扇進口機匣敷設消聲材料。

TFE731的高壓壓氣機為單級離心式，因為小尺寸的壓氣機使用離心式，具有結構簡單、尺寸小、重量輕等優點，效率要高于軸流式壓氣機。TFE731的低壓壓氣機為4級軸流式，燃燒室采用回流環形，裝12個徑向安裝氣動霧化噴嘴。燃燒室之后的高壓渦輪系單級軸流式，低壓渦輪系3級軸流式。受熱膨脹的高壓氣體在離開燃燒室之后，高速流經高壓渦輪和低壓渦輪，使高速轉動的渦輪各自驅動高壓壓氣機和低壓壓氣機，并通過行星齒輪帶動風扇。如此，完成發動機的一次熱力循環。

在TFE731開始設計時，設計人員就將發動機可維護性、性能和重量放在同等優先的地位考慮。發動機采用單元體結構，附件集中裝在風扇機匣下部。發動機的核心技術來自該公司成熟的TPE331渦槳發動機，低壓部件技術來自GTCP660輔助動力裝置。研制中遇到的主要問題是風扇齒輪箱發熱量過大，后分析表明是由于齒輪系統內剩余滑油的渦流損失和嚙合處剪切力過大。通過修改潤滑系統，選擇最佳噴射滑油位置，采用擋油圈以減少滑油損失，并在行星齒輪中設置泄油通道等，問題得到解決。

1972年8月，第一個生產型TFE731-2裝在法國達索公司“隼”10公務機上驗證，取得了美國聯邦航空局（FAA）適航證。為滿足20世紀70年代初一些中型公務機增加推力的要求，TFE731-2型提高了渦輪進口溫度，改進了燃燒室，采用一種12瓣的排氣混合器，結果使耗油率下降4%，推力提高10%，該進成TFE731-3型。這是該公司實施美國航空航天局（NASA）小噪聲、低污染通用航空渦扇(QCGAT)計劃的直接結果，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。

新一代的航空發動機都采用全權數字電子控制系統（FADEC），除了做動筒和油泵等部件外，運算功能和控制全部由數字電子計算機完成，能實現機械-液壓式控制和模擬式電子控制難以實現的復雜控制規律，充分發揮發動機的潛能，其控制精度可達±1%。在飛機起飛、爬高、加速和平飛時可以選用最大推力模式，推力增加10%；在飛機巡航時可選用最經濟巡航模態，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，且由于保護措施齊備，可靠性高。從TFE731-5開始，加雷特公司開始采用FADEC裝置，K-8使用的TFE731-2A發動機也可選裝。

以TFE731-2A發動機為例：長1522毫米，寬869毫米，進口直徑716毫米，空機重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。

結語

TFE731-2A雖然沒能裝備中國空軍，但卻保證了K-8出口型大放異彩，相信隨著中國航空發動機工業逐漸成長，國內在不久的未來也會擁有趕超TFE731-2A技術水平的先進型號，促進中國輕型飛機大發展的時代到來。