AL-31发动机(俄罗斯土星科研生产联合体生产的涡扇发动机)

AL-31发动机

俄罗斯土星科研生产联合体生产的涡扇发动机

AL-31是俄罗斯土星科研生产联合体生产的一系列涡轮扇发动机，最初始用于苏-27战斗机上，其他衍生型则使用于包括Su-30MKI与中国歼-10战斗机等飞机上。

AL-31于1984年开始量产，编号R-32的特殊改良型使用于P-42试验机上，于1986年创下世界爬升率纪录。

AL-31设计上是双轴，具有后燃器，风扇段有4级，另有9级压缩段，燃烧段为环式设计，涡轮段则有高与低压各一级。军用推力最大可输出74.5千牛吨，最大后燃推力为122.58千牛吨，旁通比为0.59：1，推重比4.77:1 (军用推力)、 7.87:1 (后燃推力)。

历史沿革

AL-31F是由俄罗斯留里卡“土星”科研生产联合体研制的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机。该联合体前身是留里卡设计局，组建于1946年，是苏联的主要战斗机发动机设计局。在上世纪60年代，留里卡研制了 AL-2IF 系列涡轮喷气发动机，其最大加力推力达11000daN。1970~1974年投入生产，广泛用于苏-17攻击机、苏-20苏22、苏-24和米格-23 战斗机上。在AL-21基础上，1976年(另说法是1973年)留里卡开始研制AL-31F发动机。1985年该发动机研制AL-31于1985年首次在苏联空军投入使用，是冷战时期战斗机上最强大的发动机，为苏-27战斗机提供了动力，具有非常高的机动性。达标后用于苏-27、苏-30战斗机和苏-35战斗机。

基本构造

AL-31F发动机由4级风扇、9级高压压气机、环形燃烧室、1级高压涡轮、1级低压涡轮与带收敛-扩张式喷管的加力燃烧室组成。

风扇结构

AL-31F却采用了4级风扇，其增压比为3.6（平均级压比1.38）。为了提高风扇叶片抗外物打击能力与解决叶片振动问题，AL-31F的前3级风扇采用了叶身中间凸肩，凸肩间相互抵紧形成整环，第1级的凸肩还用于解决叶片颤振问题。

高压压气机转子结构

AL-31F的高压压气机转子采用了焊接与长螺栓两种连接方式，即前3级TC4轮盘与鼓环焊为一体，第4～6级钛合金轮盘与鼓环焊为一体，后3级采用多根长螺栓连接。整个转子由3个组合件组成，即前3级转子在第3级盘处用短螺栓与第4～6级转子连接，而后3级转子用长螺栓与第6级轮盘后伸的锥轴连接在一起。AL-31F的9级高压压气机转子叶片全部采用环形燕尾榫根装在轮盘轮缘的环形燕尾槽中，这是唯一的整个转子所有级全都采用环形燕尾榫根的发动机（rd-33中前3级为纵向燕尾榫根）。环形燕尾榫根结构最早用于CF6-6发动机中，这种结构除了可简化轮盘榫槽加工外，最大的好处是能在打开压气机机匣后拆换叶片，但其承载离心力的表面比纵向燕尾榫根显著减小。因此，在绝大多数发动机中，高压压气机前几级叶片较大、离心力大，不采用环形燕尾榫根。

高压涡轮冷却系统

为解决因涡轮前温度提高带来的涡轮叶片断裂问题，AL-31F的冷却系统中有一处独特的设计，即由高压压气机出口处引出的冷却空气经过冷却器降温后，再去冷却高压涡轮部件，以提高冷却效率。

附件中心传动装置主动锥齿安装方式

AL-31F的高压压气机前滚珠轴承也是通过弹性支座支承于机匣，但附件中心传动装置中的主动锥形齿轮却未装在高压压气机前轴上，而是将主动锥齿支承在两个轴承上。高压压气机前轴与主动锥齿通过浮动套齿轴连接，即浮动套齿轴前端的外套齿与主动锥齿的内套齿啮合，后端的外套齿则与高压压气机前轴的内套齿啮合。

高压涡轮后端支承方式

AL-31F的高压涡轮后滚棒轴承支承于低压转子上，成为一个中介轴承，高压涡轮后轴承的负荷通过低压转子后轴承外传，整台发动机因此可减少1个承力机匣与轴承滑油腔，不仅使发动机零件数减少，而且发动机长度也可减少。

在小涵道比涡轮风扇发动机中，一般高压转子由两个支点支承，低压转子则由3个支点支承，即风扇转子支承于前后两个支点上，低压涡轮转子后端支承于1个支点上，其前端通过联轴器支承于风扇后支点处。以往的3支点的设计必须采用柔性联轴器，以适应3支点的不同心，即低压涡轮转子允许绕轴心偏离一个角度。但当高压涡轮通过中介轴承支承于低压涡轮转子时，就不能采用柔性联轴器，否则高压转子后支点会颠簸，造成叶尖间隙极不均匀，并影响高压转子的动力学特性。为此，在3支点的低压转子支承方案中，必须采用刚性联轴器，这就需要提高机匣与转子的加工精度，保证机匣中3个轴承安装孔要在一根轴线上，同时转子上装3个轴承的轴颈处应保证同心。

由于当时苏联对长度较长的低压涡轮轴的加工精度达不到要求，因此AL-31F的高压转子选择了目前普遍采用的1—0—1方式（如图6所示）。即高压压气机前采用滚珠轴承与高压涡轮后采用滚棒轴承；低压转子却采用了最原始的4支点方案，即风扇转子支承于前后两个支点上，低压涡轮转子也支承于前后两个支点上。由于低压涡轮转子是支承于前、后两个支点上，工作会非常平稳；高压转子后轴承支承其上，工作也较平稳。为了克服柔性联轴器对高压转子带来的问题，AL-31F采取的上述措施虽然解决了问题，但却在发动机中增加一套零件多、结构复杂的联轴器，增加了发动机质量。

AL-31F发动机的高压涡轮轮盘与涡轮前、后轴是通过多根螺栓连接起来的，即在轮盘轮毂上开有多个螺栓孔。由于这种在轮毂上开孔的设计比较简单，在早期发动机上就曾采用过，但在轮毂上开孔会影响轮盘的强度与使用寿命，因此，20世纪70—80年代发展的发动机已不采用这种结构。F100发动机高压涡轮轮盘轮毂处向后有用于连接的向内的安装边，螺栓孔开在此安装边上，避免在轮毂上开孔，这种连接方式在近些年研制的发动机中被较多采用。

AL-31F的钛合金低压涡轮轴

为了减轻发动机的整体质量，AL-31F发动机连接低压涡轮与风扇间的低压涡轮传动轴前后分为3段。前、后段因为有传递扭矩的花键，由高强度的合金钢制成，中段仅传递扭矩与轴向力，由钛合金制成，3段间用径向销钉连为一体。

性能特点

尺寸小，推力大。

其涡轮具有有效的冷却系统和良好的热力学特性;压气机增压快速，发动机结构紧凑，保证飞机有较高的推力和良好的机动性。

稳定性高。

可使用在苏-27战斗机飞机的各种飞行高度和速度下，即使飞机在以 M2的速度进入平螺旋、直螺旋、翻转螺旋和进气道喘振的情况下，发动机工作仍然极其稳定。喘振消除系统、空中自动点火系统主燃烧室和加力燃烧室的再次启动系统等可保证在使用机载武器时动力装置的工作可靠性。

维修简便

该发动机采用单元体结构，由14个单元体组成，因此，如果出现某些损坏，不需要全部更换，只替换下有故障的单元体即可:这样，在使用条件下进行发动机维修时，可更换其中的6个单元体。

使用寿命长

AL-31F可根据其技术状况而使用，只要发动机还正常，就可以一直使用下去，而现代化水平的诊断设备可保证飞行安全。但其使用寿命也有一个限度，一般认为该发动机第一次维修前的使用寿命可达1000h，总使用寿命应该不少于10年。

应用

AL-31发动机主要应用于苏-27战斗机其改进型苏一30MK、苏-30战斗机、苏一33 和苏-35等型号上。

发展

20世纪90 年代，礼炮公司把头几批 AL-31F 提供给苏联空军，安装在双发布局的苏-27 歼击机上。尽管礼炮公司对产品进行质量跟踪、预防检修和定期维护，但是随着技术的发展，该发动机的技术指标已显得落后。为了适应新的战争环境，礼炮公司在本世纪初已建议俄空军按三个阶段改进 AL-31F 发动机，在三年内把加力推力提升到14 600daN。

中国相关单位开展了AL-31F自主大修项目，一方面开展与俄罗斯技术合作，引进了AL-31F技术资料和大修线，包括全套工艺装备、技术手段，建设了发动机试车台等设施，一方面立足国内对发动机易损件、材料进行国产化替代攻关，实现了发动机易损件、材料等国产化，在此基础上，又开展了发动机关键部件-热端部件（高压压气机、燃烧室、高压涡轮）的维修和试制，经过努力，成功实现了AL-31F热端部件国内修复，然后又利用国内技术成果，对AL-31F部件进行了升级，提高了发动机可靠性，热循环、维修间隔时间延长。对于中国空军和相关单位来说，通过AL-31F自主大修及部件再造，解决了AL-31F在国内维护修理问题，降低了空军对于进口发动机依赖，尤其AL-31F发动机不需要再送返俄罗斯进行修理，节约了成本和时间，可以说意义深远，同时通过对AL-31F发动机进行大修、部件试制，也加深了相关单位对于这型发动机的认识，为FWS-10发动机发展提供了宝贵借鉴和参考。