二:俄制AL-31F发动机系列的润滑设计存在较严重的可靠性缺陷
虽然AL-31F发动机是苏联研制苏-27时的配套工程,但严格的说它在当时也并不是一种全新设计的产物,而是在AL21涡喷发动机的基础上参照了大量RD33发动机设计发展而来。歼-10上装配的AL-31FN发动机是针对单发飞机安装要求而推出的一种小改型,主要的改进有两个:首先是将附件传动箱从发动机上面转移到下面,但附件传动机匣的位置仍然不变;其次拆掉了内外涵流道的分流隔板。从性能变化上说,AL-31FN的长度少了40mm,重量轻了23公斤,耗油率稍微高了一点;其它都保持不变——包括AL-31F的各种缺陷。
AL-31F发动机
大多数针对AL-31F发动机家族缺陷的评论都指向了材料性能较低、工艺落后,或者是涉及性能方面的设计过时:比如该发动机高温部件采用的还是定向凝固合金,工作温度较低;未能采用一体式压气机盘,压气机叶片与轮盘之间居然还采用着强度较低的螺栓连接方式;整体架构较为落后,风扇和总压气机级数过高等等。
实际上这些缺陷固然存在,但影响的主要是和性能有关的指标;包括发动机的推力大小、使用寿命、发动机整体重量等等。AL-31F家族最大的可靠性瓶颈来自于它的支承结构和在此基础上展开的润滑系统设计。涡扇发动机作为一种依靠部件旋转做功的燃机,它的核心运动部件包括风扇、低压压气机、高压压气机、涡轮都安装在转子上;而转子要把自身载荷传递给整个发动机匣,就要通过支承结构和轴承实现。
在涡扇发动机的运转过程中,支撑着转子高速旋转的轴承一直处于重载荷(相当于7~9.2吨)、高转速、高温度(可以达到260度以上)的状态下。因此对轴承进行大压力、高流量的润滑,减小摩擦并带走热量降低温度就成为保障发动机工作的基础前提。
一旦轴承得不到充足的润滑,转动阻力会迅速加大,温度迅速升高;局部的摩擦热量会使摩擦面上出现变形和摩擦显微焊合、乃至于局部融化,而这些微小的焊点随之又会在旋转作用下被撕裂。这种轴承部件之间粘着——撕裂——粘着的循环发展到最后,就是轴承丧失旋转精度、最终卡死抱轴,发动机也必然随之停车。
在较为落后的发动机设计中,润滑系统可靠性不高是普遍现象。比如我军1985年发动机空中停车事故中,发动机润滑系统故障引起的事故就占43%。美国TF34发动机在1983年发生了90次事故,润滑故障占28%。而AL-31F发动机由于支承设计较为复杂,比如它采用了双中介轴承、四轴承低压转子的设计;轴承的润滑可靠性一直很差,而同期的RD33发动机则少有此类问题。要彻底解决AL-31F的润滑可靠性问题难度非常大,因为完全改变支承设计的话,无异于重新设计发动机。
在AL-31F的设计中,发动机降转是润滑系统压力过低以后的保护动作;因此一旦出现发动机降转警报,就意味着AL-31FN发动机的轴系润滑已经严重不足,空中停车就会很快到来。比如中央电视台重点报道过的李峰驾驶无动力歼-10迫降事迹中,李峰第一次接到发动机降转报警后立刻开始返场;在这个过程中他在保持必要飞行高度的前提下将发动机转速控制到最低,以延缓发动机空中停车。当距离机场6公里时,出现第二次发动机降转警报;到3.8公里时,发动机就彻底停车。
李峰在表彰大会上发言
排除本次尚未得出结论的事故以外,歼-10自研制以来所有的坠毁事故中,除了一次是由于飞行员云间错觉引起外,全部是由于发动机问题导致的。根据海军发动机专业的公开文献,我国曾经多次就AL-31F系列发动机的润滑缺陷问题咨询俄罗斯的设计和生产单位。而俄方表示他们进行过设计方面的改进,但受资金的限制未开展试验验证,也无法给出从设计原理上解决故障的措施。
说到底,俄罗斯人对于AL-31F系列发动机的润滑缺陷就是两个态度:我自己不那么在乎,凑合就行了;你想改进,先拿钱来。这其中的关键原因之一,就是AL-31F的可靠性问题在歼-10这样的单发高性能战斗机上比较突出,但在苏-27平台上的影响却要小得多得多。
