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涡轮喷气发动机(下)

■ 季鹤鸣

《航空知识》2003年第12期  浏览 人次


  
   虽然惠特尔和欧海因两人发明的第一台涡轮喷气发动机及其装备的飞机都只是试验机,并没有投入实战,但却把人类带入了喷气时代。
   He178试飞成功后,德国空军专门观看了该机的飞行表演,确信新型发动机有着活塞发动机难以媲美的优良性能,当即责令几家航空发动机公司与政府签订合同研制新型发动机。其中巴伐利亚和布拉莫公司合并后研制的BMW-003和BMW-018都是轴流式发动机。前者推力7.9千牛,后者推力29.4千牛,但直至二战结束没有装机服役。二战后,法国借助BMW-003发动机及部分设计人员于1945年10月研制成阿塔101V。其推力16.7千牛,推重比1.93。在此基础上,后来发展出阿塔系列发动机。
   日本通过与德国的结盟关系得到了涡轮喷气发动机的资料,于1945年8月投降前夕,也研制出Ne20涡喷发动机。
   德国容克公司研制的尤莫004发动机,是世界上首台轴流式喷气发动机。该发动机1940年10月开始台架试车,一年后设计推力达到了9.8千牛,后装于Me262飞机上试飞成功。1944年装机服役时,标准推力为8.1千牛。尤莫004是德国第一种大批量生产的涡轮喷气发动机,其数量达到了6000台,装备了1249架Me262和214架AR234轰炸机,曾给盟军以很大威胁。
   前苏联在二战中缴获了大量的尤莫004和BMW-003及其图纸,同时也俘虏了许多设计人员后,当即决定利用和仿制这两型发动机。前者命名为PД10,后者叫PД20。一年后这两型发动机即分别装于雅克-15和米格-9上,于1947年“五一”劳动节飞过红场接受了斯大林的检阅。这是苏联第一代涡轮喷气式飞机。
   自从惠特尔的W1发动机装在E28/39上天后,英国空军认识到涡轮喷气发动机在高速飞行中的重要性。于是他们先是让几家制造航空发动机的小公司与喷气动力公司合作,而后即由英国最大的发动机制造厂家罗·罗公司接管该公司,并且开展了大量的基础理论研究。同时,有关人员对W1作了许多改进。1943年4月,罗·罗公司推出第一个产品——威兰德离心式喷气发动机,推力达7.55千牛,当年即装备“流星”式战斗机,并于1944年5月交空军服役。这是二战中盟国唯一参战的喷气式飞机。该机曾在英吉利海峡上空多次成功拦截德国V-1飞航式导弹。
   罗·罗公司还在威兰德发动机的基础上发展出德温特发动机。尼恩则是其放大型,推力达22.5千牛。战后,英国把这两型发动机以专利和实物卖给了苏联。前苏联仅化了一年多时间即仿制成功并进入批量生产。
   尼恩的苏联型号叫PД45,很快装于米格-15战斗机上,1947年12月30日首飞成功,1948年即开始服役。因发动机的推力大,再加上飞机的气动性能好,使米格-15成为一种优秀的战斗机。后来,苏联对PД45作了改进,推力提高到26.5千牛,改装加力后达到33千牛,经改进后装于米格-17上。此外,前苏联还自行研制出轴流式喷气发动机PД9Б装备在米格-19等飞机。
  
   战后,前苏联仅用5年时间即由仿制走上了独立研制涡喷发动机之路。英国在把离心式发动机的专利卖给澳大利亚、美国等国的同时,也开始自行研制轴流式涡喷发动机。
   美国虽然是航空强国,但由于决策失误,直到1941年5月,得到英、德研制涡轮喷气发动机的确切情报后才开始起步。美国首先由英国引进了惠特尔的W2B发动机的图纸与W1的实物,进行仿制与改进。第一个用于实战的喷气发动机是J33,装于F-80飞机上,其推力为17.8千牛。1944年4月,美国GE公司开始研制推力等级与J33相当的轴流式喷气发动机J35,装在F-84战斗机上。二战以后,美国吸收了德国轴流式发动机的设计经验,又设计了推力达26.72千牛的J47发动机,装于F-86战斗机。这三个机种都参加了1950年爆发的朝鲜战争。其中F-86是当时美国的主力战机。
   说来甚巧,在二战期间严格保密的敌对双方,发明的都是大同小异的离心式喷气发动机。其后,英国主要发展离心式喷气发动机;德国则主要发展轴流式喷气发动机。但是在二战期间,装备喷气式发动机的飞机并未作过正面交锋。5年后的朝鲜战争中,中朝为一方的米格-15战斗机,装备的是离心式喷气发动机;美国为首的另一方使用的F-86战斗机,装备的是轴流式喷气发动机。米格-15与F-86的殊死搏杀,宣告了燃气涡轮喷气动力飞行时代的真正到来。
  
   特点和发展
  
   最早在二战中服役的两型喷气战斗机——Me262/Jumo-004和“流星”/W2B,其飞行速度都大于850公里/小时,远远超过了活塞螺旋桨飞机所能达到的速度。二战后问世的代表机种,如米格-15/PД45和F-86/J47速度都超过了1000公里/小时,直逼音速。这阶段,涡轮喷气发动机所遇到的主要问题是燃烧室的工作稳定性。
   但是,若再想进一步提高飞机飞行速度,使其跨过音速的话,首先就要提高发动机的迎面推力,并减少阻力。相比起来,轴流式压气机的优点比较突出,而且对提高增压比改善发动机效率也更有利。于是,超音速飞机的发动机全改成了轴流式压气机。同时,在总的发动机增压比提高到7~10的前提下,还必须解决压气机的喘振问题。为此,调节压气机流量的防喘装置开始出现。主要的技术措施有可调静子、双转子压气机、中间级放气、可调进气道等。
   当上世纪50年代初第一批超跨音速飞机出现时,首先要解决的是激波带来的阻力急剧增加问题。飞机采取的措施是后掠翼;而发动机则必须增加推力,为此涡轮后部增加了一个加力燃烧室。它可使推力增加40%~50%,正好克服了跨音速时带来的阻力增加。同时,为保证开加力时涡轮的工作状态不变,还增设了可调节的排气喷口。于是,发动机上有了两套几何尺寸可变的调节装置:压气机流量调节和排气喷口调节系统。
   到了上世纪50年代末,能够为飞机提供两倍音速飞行推力的发动机问世。美、苏两国的代表作分别为J79和P11Ф-300。这两型发动机分别装于F-4和米格-21战斗机上。这一时期,在民航机领域,两倍音速飞机的代表作是英法合作研制的“协和”号和前苏联的图-144。“协和”号装备了4台奥林普斯593(图九)。这是一种加力式双转子涡轮喷气发动机,单台推力达170千牛。
   上世纪60年代末70年代初,飞机突破热障,速度达到3倍音速。代表作是美国的SR-71高空侦察机和前苏联的米格-25B战斗机。其中SR-71于1974年9月在高度26000米上创造了3666公里/小时的世界纪录;1976年7月,该机在时速达3526公里/小时的情况下,飞行高度达到30480米。SR-71即大家熟知的“黑鸟”间谍飞机。其装备的动力为J58加力式双转子涡轮喷气发动机,加力推力达144.56千牛。该发动机采用一个中心锥可调的内外压混合式进气道,9级轴流压气机,环管形燃烧室。二级涡轮中第一级的导向叶片、动叶片均为气冷结构。喷管是带引射罩可调收扩式的。J58代表了涡轮喷气发动机的全新技术。
   经过30余年的发展,涡轮喷气发动机的推力重量比达到6.5~7.0;中间状态耗油率达到0.9~0.95公斤/十牛·小时;加力状态耗油率则为1.8~2.2公斤/十牛·小时。
  
   近30年来,涡扇发动机崛起,在军民机领域中,逐渐取代了涡喷发动机。但由于涡喷发动机相对成本较低,在现役军用飞机中还占有一定比例;再加上该型动力在中空、中速尤其是在高空、高速条件下其性能并不低,因此还会在现役飞机中延续使用较长一段时间。甚至有一型“战斧”巡航导弹也选用它作为动力。高性能的加力式双转子涡轮喷气发动机,不仅为第三代战斗机所用涡扇发动机提供了技术基础,而且就技术水平而言也没有太大的差距。
  
   中国的涡轮喷气发动机
  
   中国人首次接触现代涡轮喷气发动机是二战结束后的1946年。当时的中国政府花5万英镑买回了尼恩发动机的专利。这套图纸交给了贵州大定航空发动机厂。但当时的时局没有给予中国人掌握喷气技术的机遇。后来这套图纸被带到台湾不了了之。
   中国人首次见到涡轮喷气发动机实物,是1949年新中国成立后。当时从前苏联订购了首批喷气式飞机——米格-9和雅克-15。其上装用的分别为PД20和PД10发动机。这两款发动机的前身为德国的BMW-003和尤莫004。推力分别为7.9千牛和8.9千牛;因毛病较多仅供训练空地勤人员用。真正有实战价值的是1950年底第二批购自苏联的PД45发动机。PД45装备的米格-15战斗机在朝鲜战争中发挥了重大作用。
   1957年5月,中国首次仿制成功涡喷5型发动机(图十)。涡喷5发动机的仿制成功,使我国迈进了少数掌握喷气发动机制造技术的国家之列。1958年2月,时任中央人民政府主席的毛泽东,专门视察了生产涡喷5的沈阳黎明发动机厂(图十二)。1961年10月,我国仿制成功第一台超音速轴流式发动机——涡喷6(前身为前苏联的PД-9Б)。1966年,我国又仿制出两倍音速的P11Ф-300,即涡喷7发动机。其加力推力达56千牛。1967年1月,西安航空发动机厂试制成功PД-3M即涡喷8发动机。其推力达93千牛。
  
   在仿制专利产品的同时,我国还对有关产品进行了改进改型。主要有涡喷6甲、涡喷7甲、乙以及涡喷11和涡喷13AⅡ等。其中涡喷7甲(图十一)、乙最主要的改进是:首次采用了自行研制的空心气冷叶片;提高涡轮前温度100C°。这是已故著名铸造专家荣科教授,在甘立军令状后,攻克多项材料和工艺技术关键研制成功的。它对中国航空发动机的发展具有重要意义。涡喷13AⅡ是贵州航空发动机厂研制的。用以装备J-8Ⅱ。主要改进了压气机喘振裕度,提高了涡轮前温度并采用了铸钛机匣等新材料、新工艺。其推重比接近6.0。
   我国首台自行设计的涡轮喷气发动机是喷发1A(图十三)。这是一种推力15.7千牛的小型离心式发动机,用于中国自行设计的歼教1飞机上,1958年7月首飞成功。80年代,为满足歼7、歼8飞机的动力改装要求,严格按照国军标和型号规范要求,我国研制成功了高性能、中等推力的“昆仑”涡喷发动机(图十五)。“昆仑”发动机无论是在气动性能上,还是在结构强度上都具有较高水平。附表列出了“昆仑”Ⅱ与第三代航空燃气轮机PД33涡扇发动机的主要性能对比。从表上可看出,“昆仑”Ⅱ与PД33的性能指标已很接近。“昆仑”的研制成功,标志着中国的现代涡轮喷气发动机的研制跨出了非常重要的一步。
  
   “昆仑”Ⅱ与PД33技术数据对比
  
   “昆仑”Ⅱ РД33
  加力推力 76.44千牛 81.40千牛
  不加力推力 53.90千牛 49.13千牛
  加力耗油率 1.84公斤/十牛·小时 2.09公斤/十牛·小时
  不加力耗油率 0.949公斤/十牛·小时 0.785公斤/十牛·小时
  发动机最大直径 882毫米 1000毫米
  发动机总长 4635毫米 4230毫米
  推重比 7.0 6.62~7.87