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涡轮风扇发动机的诞生

归档日期:10-15       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

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  在五十年代未、六十年代初,作为航空动力的涡喷发动机已经相当的成熟。当时的涡喷发动机的压气机总增压比已经可以达到14左右,而涡轮前的最高温度也已经达到了1000℃的水平。在这样的条件下,涡喷发动机进行部分的能量输出已经有了可能。而当时对发动机的推力要求又是那样的迫切,人们很自然地想到了通过给涡喷发动机加装风扇以提高迎风面积增大空气流量,进而提高发动机的推力。

  当时人们通过计算发现,以当时的涡喷发动机的技术水平,在涡喷发动机加装了风扇变成了涡扇发动机之后,其技术性能将有很大的提高。当涡扇发动机的风扇空气流量与核心发动机的空气流量大至相当时(函道比1:1),发动机的地面起飞推力增大了百分之四十左右,而高空巡航时的耗油量却下降了百分之十五,发动机的效率得到了极大的提高。

  这样一种有着涡喷发动机无法比及优点的新型航空动力理所当然地得到了西方各强国的极大重视。各国都投入了极大的人力、物力和热情来研究试制涡扇发动机,在涡扇发动机最初研制的道路上英国人走在了美国人之前。英国的罗尔斯·罗伊斯公司从1948年就开始就投入了相当的精力来研制他们的“康维”涡扇发动机。1953年“康维”进行了第一次地面试车。又经过了六年的精雕细刻,直到1959年3月,“康维MK-508”才最终定型。这个经过十一年孕育的难产儿有着当时涡喷发动机难以望其项背的综合性能。“康维”采用了双转子前风扇的总体结构,函道比为0.3,推重比为3.83,地面台架最大推力为7945公斤,高空巡航推力为2905公斤,最大推力时耗油量为0.735千克/小时/千克,压气机总增压比为14,风扇总增压比为1.90,而且英国人还在“康维”上首次采用了气冷的涡轮叶片。当康维最终定型之后,英国人迫不及待地把它装在了VC-10上!

  美国人在涡扇发动机研发上比英国人慢了一拍,但是其技术起点非常之高。美国人并没有走英国人从头研制的老路。美国的普·惠公司利用自已在涡喷发动机上的丰富技术储备,采用了已经非常成熟的J-57作为新涡扇发动的内涵核心发动机。J-57是美国人从1947年就开始设计的一种涡喷发动机,1949年完成设计,1953年正式投产。J57在投产阶段共生产了21226台,是世界上产量最大的三种涡喷发动机之一,先后装备了F-100、F-101、F-102、B-52等机种。J-57在技术上也有所突破,它是世界上第一台采用双转子结构的喷气发动机,而由单转子到双转子是喷气发动机技术上的一大进步。不光是核心发动机,就连风扇普惠公司也都是采用的已经相当成熟的部件,已被撤消了型号的J91核动力喷气发动机的长叶片被普惠公司拿来当作新涡扇的风扇。1960年七月,普惠公司的JT3D涡扇发动机诞生了。JT3D的最终定型时间比罗罗的康维只晚了几个月,可是在性能上却大大的提高。JT3D也是采用了双轴前风扇的设计,地面台架最大推力8165公斤,高空巡航推力2038公斤,最大推力耗油0.535千克/小时/千克,推重比4.22,函道比1.37,压气机总增压比13.55,风扇总增压比1.74(以上数据为JT3D-3B型发动机的数据)。JT3D的用处很广,波音707、DC-8用的都是JT3D。不光在民用,在军用方面JT3D也大显身手,B-52H、C-141A、E-3A用的都是JT-3D的军用型TF-33。

  现今世界三大航空动力巨子中的罗·罗、普·惠,都已先后推出了自已的第一代涡扇作品。而几乎是在同一时刻,三巨头中的另一个也推出了自已的第一代涡扇发动机。在罗·罗推出“康维”之后第八个月、普·惠推出JT-3D的前一个月,通用电气公司也定型了自已的第一代涡扇发动机CJ805-23。CJ805-23的地面台架最大推力为7169公斤,推重比为4.15,函道比为1.5,压气机增压比为13,风扇增压比为1.6,最大推力耗油0.558千克/小时/千克。与普·惠一样,通用电气公司也是在现有的涡喷发动机的基础之上研发自已的涡扇发动机,被用作新涡扇的内函核心发动机的是J79。J-79于1952年开始设计,于1956年投产,共生产了16500多台。它与J-57一样也是有史以来产量最高的三种涡喷发动机之一。与J57的双转子结构不不同,J79是单转子结构。在J-79上首次采用了压气机可调整流叶片和加力全程可调喷管,J-79也是首次可用于两倍音速飞行的航空发动机。

  通用电气公司的CJ805-23涡扇发动机是涡扇发动机中一个绝对另类的产品,让CJ805-23如此与众不同的地方就在于它的风扇位置——它是唯一采用后风扇设计的涡扇发动机。

  在五六十年代,人们在设计第一代涡扇发动机的时候遇到了很大的困难。首先是由于大直径的风扇与相对小直径的低压压气机联动以后,风扇叶片翼尖部分的线速度超过了音速。这个问题在当时很难解决,因为没有可利用的公式来进行运算,人们只能用一次又一次的试验来发现、解决问题;第二是由于在压气机之前多了风扇,使得压气机的工作被风扇所干扰;第三是细长的风扇叶片高速转动所引起的振动。

  而通用电气公司的后风扇设计一下子完全避开了这三个最主要的困难。CJ805-23的后风扇实际上是一个双节的叶片,叶片的下半部分是涡轮叶片,上半部分是风扇叶片。这样的一个叶片就像涡轴发动的自由涡轮一样被放在内函核心发动机的尾部。叶片与核心发动机的转子没有丝毫的机械联系,这样人们就可以随心所欲地来设计风扇的转速,而且叶片的后置也不会对压气机产生不良影响。但在回避困难的同时也引发了新的问题。

  首先是叶片的受热不匀,CJ805-23的后风扇叶片的涡轮部分在工作时的最高温度达到了560度,而风扇部分的最低温度只有38度;其次,由于后风扇不像前风扇那样工作在发动机的冷端,而是工作在发动机的热端,这样一来风扇的可靠性也随之下降,而飞机对其动力的要求最重要的一条就是万无一失。而且风扇后置的设计使得发动机由于形状上的原因其飞行阻力也要大于风扇前置的发动机。

  当“康维”、JT-3D、CJ805-23这些涡扇发动机纷纷定型下线的时候,人们也在不断反思涡扇发动机的研制过程。人们发现,如果一台涡扇发动机如果真的像“康维”那样从一张白纸上开始试制,则最少要用十年左右的时间新发动机才能定型投产。而如果像JT-3D或CJ805-23那样,利用已有的一台涡喷发动机作为内函发动机来研制涡扇发动机的话,因为发动机在技术上最难解决的部分都已得到了解决,所以无论从时间上还是金钱、人力、物力上都要节省很多。在这样的背景之下,为了缩短新涡扇的研制时间、减少开发费用,美国政府在还未对未来的航空动力有十分明确要求的情况下,从1959年起开始执行“先进涡轮燃气发生器计划”。这个计划的目的就是要利用最新的科研成果来试制一种燃气核心机,并进行地面试车,以暴露并解决各部分的问题。在这个燃气核心机的基础之上进行放大或缩小,再加装其它的部件,如压气机、风扇等等,就可以组装成不同类型的航空涡轮发动机。如涡扇、涡喷、涡轴、涡桨等等。“先进涡轮燃气发生器计划”实际上是一个有相当前瞻意味的预研工程。

  用今天的眼光来看,这个工程的指导方向无疑是正确的。美国政府实际上是在激励本国的两大动力公司向航空动力系统中最难的部分开刀。因为在燃气涡轮发动机中最最严重的技术难点,就产生在这个以燃气发生器和燃气涡轮为主体的燃气核心机上。在每一台以高温燃气来驱动燃气涡轮为动力的发动机上,由燃气发生器和燃气涡轮所组成的燃气核心机的工作地点,将是这台发动机的最高温度、最大压力的所在地,所以其承受的应力也就最大,工作条件也最为苛刻。但燃气核心机的困难不只是压力和温度,高转数所带来的巨大的离心力、飞机在加速时的巨大冲击,如果是战斗机还要考虑到当飞机进行机动时所产生的过载和因过载而引起的零部件变形。在为数众多的困难中单拿出无论哪一个,都将是一个工程上的巨大难题。但如果这些问题未能解决,那么更先进的喷气发动机也就无从谈起。

  在这个计划之下,普惠公司与通用电气公司都很快推出了各自研发的燃气核心机。普惠公司的核心机被称作STF-200,而通用动力公司的燃气核心机为GE-1。时至今日,美国人在四十年前发起的这场预研还在发挥着它的作用。现如今普惠公司和通用电气公司出品的各式航空发动机,如果都求其根源的话,它们却都是来自于STF-200与GE-1这两个老祖宗。 涡轮风扇发动机要比涡轮喷气发动机更省油,尤其是超过音速不太多时。所以民用喷气飞机都是采用的涡轮风扇发动机。

  中国民用分开排气涡轮风扇发动机还未研制成功,军用混合排气涡轮风扇发动机中已成功批量生产的秦岭发动机相当于英国60年代的SPEY,用于飞豹上。相当于苏27上的AL31的太行前一段时间报道研制成功,但不知道是否投入批量生产。

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