发信人: yongzheng()
整理人: yongzheng(2000-12-17 15:45:40), 站内信件
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第二次世界大战中,各种飞机所用的均是活塞式发动机。由于它工作时只输 出扭矩,不能直接产生推进飞机前进的推力或拉力,因此需配用空气螺旋桨作为 推进器。这种由活塞式发动机与螺旋桨组成的飞机动力装置,在二战中得到极大 的发展。发动机最大功率达到3500 千瓦左右;耗油率低的约为0.28 千克/(千瓦 ·小时);功率重量比达到2 马力/公斤。尽管活塞式发动机装备在战斗机、轰炸 机等军用飞机上,在战争中发挥了重大作用,但却限制了飞机飞行速度的提高, 其主要原因有二:
首先,推进飞机前进的推进功率与飞行速度的三次方成正比。当飞行速度提 高后,飞机所需的大功率发动机根本无法实现。例如,一架动力为2000 马力、重 4 吨的飞机, 要将其飞行速度由400 公里/小时提高到800 公里/小时时, 如不考 虑螺旋桨在高速飞行时效率大幅度降低的因素,就需将发动机功率提高8倍即需1 6000马力。 这么大功率的航空活塞式发动机显然是不可能实现的;即使能制造出 来,其重量将高达8 吨,比飞机还重,也无法使用。另外,当飞机速度增大后, 空气作用在桨叶叶尖处的相对速度大大提高,超出音速很多,使桨叶的效率大幅 度降低。为了能得到足够拉力,发动机功率还要再增加很多。由此可看出,采用 活塞式发动机作动力的飞机,飞行速度是受到限制的,不可能接近音速,更不可 能达到音速甚至超过音速。当时最先进的战斗机速度也只有650~750 公里/小时 。
涡轮喷气发动机的出现,使飞机性能大幅度提高 早在二战中、后期,国外已 开始研制涡轮喷气发动机,但真正用于飞机上却是在距今半个世纪前,即40年代 末期。涡轮喷气发动机一出现,由于它具有活塞式发动机无法比拟的优点,使飞 机性能得到质的飞跃。 涡轮喷气发动机本身既是热机又是推进器,可直接产生推 进飞机前进的推力,而不象在活塞式发动机中需用限制飞机飞行速度的螺旋桨作 推进器。其次,作为这两种发动机工质的空气,流进涡轮喷气发动机的流量比流 进活塞式发动机的多几十倍甚至更多(航空活塞式发动机中的空气流量最大者约为 1 公斤/秒,而早期推力较小的涡轮喷气发动机空气流量也在30~40 公斤/秒以上 )。另外,在活塞式发动机中,曲轴每转两转每个气缸才完成吸气、压缩、汽油- 空气混合气燃烧、膨胀作功、排气的一个循环,即曲轴转两转时只有一个冲程(膨 胀作功)是作功的;而在涡轮喷气发动机中,这5个过程是同时进行的, 也即只要 发动机一工作,它就不断地作功产生推力。由于这些原因,涡轮喷气发动机作功 能力远远大于活塞式发动机。它产生的巨大推力能使战斗机克服高速飞行时的极 大阻力,使飞行速度接近音速甚至超过音速,达到音速的二倍(M=2)以上。所以, 涡轮喷气发动机的出现,才使飞机的飞行速度超过音速成为可能。
40年代后期,英、美、苏等国,先后研制成功了第一代实用型涡轮喷气发动 机,并发展了多种实用型以涡轮喷气发动机为动力的喷气式战斗机。在50年代初 期的抗美援朝战争中,中国人民志愿军空军驾驶米格-15喷气式战斗机与美国空 军驾驶的F-86喷气式战斗机展开的空中博斗,是世界上首次喷气式战斗机的空战 。从此以后,新研制的战斗机均以涡轮喷气发动机为动力。那些在二战中耀武扬 威、不可一世的以活塞式发动机为动力的战斗机纷纷退出了历史舞台。
涡轮喷气发动机在战斗机的使用中,不断地得到改进、发展; 同时采用了各 种先进技术,使性能不断提高,也促使了战斗机的进一步的发展。与此同时,涡 轮喷气发动机也被用于旅客机上。1952年世界上第一种喷气式旅客机、英国的"慧 星"投入使用,标志着新一代旅客机的诞生。与以活塞式发动机为动力的旅客机相 比,新一代旅客机具有载客量大、飞行速度高、飞行高度大、航程大;采用增压 客舱等特点。
1958年前后,美国的波音707、苏联的图-104大型喷气式旅客机投入使用, 标志着大型旅客机进入喷气时代。1968、1969年,巡航速度达到音速二倍的苏联 的图-144、英法的"协和"超音速旅客机先后投入试飞,表明了涡轮喷气发动机也 能使大型旅客机的飞行速度大大超过音速。
涡轮风扇发动机的出现,
再次改变了航空业的面貌
如前所述,涡轮喷气发动机在航空发展史中占有重要的地位,作出了功不可 没的贡献;但是它还有严重的缺点,即经济性差(用耗油率表征,发动机每1 千克 力推力在1小时内消耗多少公斤燃油称为耗油率)。这是因为涡轮喷气发动机的推 力是靠高速喷出的燃气得到的,喷气速度越高,推力也就越大。高速、高温燃气 由尾喷口流出,排入大气,对于发动机而言,显然是一大笔能量损失。因此,涡 轮喷气发动机的经济性较差,耗油率较高,一般约0.80~0.95 千克/千克力·小 时。
而涡轮风扇发动机是一种能产生大的推力而排气速度较低的发动机。与涡轮 喷气发动机相比,它的经济性有较大的改善,耗油率约降低1/3。因此,当第一种 涡轮风扇发动机在1960年出世后,很快被各种新型旅客机所选用。有些原采用涡 轮喷气发动机作动力的旅客机,也换装了涡轮风扇发动机。例如,波音707飞机, 原装有4台JT3C涡轮喷气发动机,在这种形势下,立即将JT3C的前三级低压压气机 的叶片加长改成涡轮风扇发动机JT3D(图一)。这样的改型,使发动机推力加大 (起飞推力增加50%, 巡航推力增加27%),耗油率降低(巡航耗油率降低13%), 大大地改进了波音707的性能,表1中列出它的性能改善情况。
60年代研制的旅客机大多都采用了这种低涵道比(1.5~2.5)的涡轮风扇发动 机。由于涡扇发动机有内、外二个涵道,发动机的外径较大,因此,当时认为这 种发动机除用于客机外,还可用于轰炸机,但是不适合用在战斗机上。
60年代中,美国开始发展用于70年代,比当时最先进的战斗机F-4等性能还 要好的所谓"空中优势战斗机"。由于这种战斗机强调要具有高机动性,因此要求 飞机的推力重量比大于1.0。这就要求发动机具有高的推重比(8.0级)、低的巡航 耗油率。显然,涡轮喷气发动机是不能满足这些要求的。于是利用涡轮风扇发动 机耗油率低的特点,采用大量先进技术,发展了直径较小、推力大(11000 千克力 左右)、推重比大(8.0左右)的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机,并先后装备在F- 15、F-16战斗机上。F-15于1974年装备美国空军投入服役,现在仍然是世界上 最先进的战斗机之一。表2列出了美国的F-4战斗机由涡轮喷气发动机换装涡轮风 扇发动机斯贝MK202(图二)后性能改善的情况,它充分说明了战斗机采用涡轮风 扇发动机后带来的好处(注意:斯贝MK202并不是最先进的涡轮风扇发动机,它的 推重比仅5.03)。F-4换装涡扇发动机后性能的提高,主要是斯贝MK202比原装的 J79涡轮喷气发动机性能有较大改善:推力提高了30%, 巡航耗油率降低了20%; 推重比由4.7提高至5.03。此后,新研制的战斗机均采用了带加力燃烧室的涡扇发 动机,例如美国的F/A-18、F-117,欧洲的“阵风”(装M88-2, 图三),苏联 的米格-29、苏-27等。
宽体、大型、远程飞机要求
发展高涵道比涡轮风扇发动机
60年代初期,美国空军提出发展远程大型战略运输机的计划,要求这种飞机 能一次运载包括直升机、大型坦克、吉普车等军事装备飞行10000 公里以上。典 型的装载为:350名全副武装的士兵;或6架AH-64武装直升机;或16辆载重卡车 等。为此,要研制一种机身较宽、起飞总重在350 吨左右的大型飞机。其载油量 约为150 吨,有效载重约120 吨。为满足这种飞机的要求,需研制一种推力约为 20000 千克力,耗油率约比小涵道比涡轮风扇发动机低1/3的大型发动机。显然, 对于这些要求,由用于波音707等的小涵道比涡轮风扇发动机改进衍生的办法是无 法满足的;只能发展一种全新的发动机来达到。于是在广泛应用各种先进技术的 基础上,采用三高循环参数:高涵道比(5~8)、高总压比(25左右)、高涡轮前温 度(1600 k~1650 k),研制成功了“高涵道比涡轮风扇发动机"的新一代发动机T F39、JT9D、CF6、RB211(图四) 。有了这种发动机,才使美空军战略运输机C- 5A于1970年装备部队使用。
当年参加研制这种飞机的投标商有美国的三大著名飞机制造商:波音、洛克 希德和道格拉斯公司。在美空军选中洛克希德公司的方案后,这三家公司均以参 与投标的方案为基础,研制出新一代宽体机身(每排安排10个座位,以往的旅客机 为6座);能乘坐350~450乘客;航行10000 公里的大型客机:波音747(1970年投 入营运)、DC-10(1971年投入营运)、L1011(1972年投入营运)。用于这三型飞机 的发动机就是上述的高涵道比涡轮风扇发动机。可以毫不夸张地讲,如果没有新 一代的高涵道比涡扇发动机,C-5A、波音747、DC-10等飞机就不可能出现。
随后,在70年代后期、80年代中期,除对JT9D等不断改进提高性能外,又发展了 各种推力档次的发动机,以满足新的、各种型号客机的要求,用于对老式客机的 改造工程。表3列出了DC-8用高涵道比涡扇发动机CFM56-2取代原用的JT3D小涵 道比涡扇发动机后,性能得到改善的情况。
90年代新型旅客机要求
发展性能更好的发动机
1990年,波音公司提出用5年时间发展一种新型的、能飞任何航线的双发大型 客机波音777(从保证客机的全出发,双发客机除经严格考核特准外,不能开通飞 越大洋的航线)。这种客机能运载350余乘客,飞行7500~10000 公里。要求所用 发动机不仅推力特大(37000~45400 千克力),而且要有极高的可靠性,飞行中不 出现停车事件。这是对航空发动机业的又一严峻挑战。世界著名的三家航空发动 机公司迎接了这一挑战。他们分别用4年多时间研制出了当代推力最大的高涵道比 涡轮风扇发动机GE90、PW4084(图五)、遄达800。由于波音公司及时地获得了所 需的发动机,波音777按原定计划于1995年6月投入营运,取得了巨大成功。
波音777投入使用后,空中客车及波音公司又先后提出要发展能运载900余人 (全经济舱布局时)的四发巨型客机。它要求发动机的推力介于波音777与747所用 发动机的推力之间,但直接使用成本要比后二者的低10%。现在己有两型候选发 动机在研制中,估计到下世纪初,这种巨型旅客机将投入营运。
1998年2月,普·惠公司公布了齿轮传动风扇的新型高涵道比涡轮风扇发动机 PW8000的研制计划。这将是发动机发展中的又一大的举措。由于在风扇与低压压 气机间装了一种新型减速器,使风扇、低压涡轮均处于最优转速下工作,可使发 动机中压气机、涡轮总级数减少40%,叶片数减少50%。该减速器传递23860 千 瓦功率,输入转速9160 转/分钟;减速比3:1;仅重640 公斤;相当每100马力只 有0.98 公斤;外径0.457 米, 传动效率高达99.5%。这是在减速器的发展中取得 的重大突破,估计它会很快在高涵道比涡轮风扇发动机中得到推广。
新一代战斗机要求发展
推重比为10的发动机
1997年9月7日, 美国研制的F-22战斗机首飞成功,开始了新一代战斗机(笫 四代战斗机)的试飞阶段,标志着战斗机的更新换代即将成为现实。估计经过几年 的试飞考验后,F-22将于2004年前后装备美国空军。
第三代战斗机F-15是1974年进入空军服役的,而相距30年后第4代战斗机才服役 。仅从这一点来看,新一代的战斗机绝非等闲之辈,它将是一种采用各种先进技 术武装起来的、性能优异的尖端武器。另外,从这两代战斗机研制周期与研制经 费的比较(表4) 也可看出新一代战斗机研制工作的艰巨性。
与F-15相比,F-22具有以下主要特点:高的机动性与高的敏捷性;高的隐 身性;以1.5~1.6倍音速的速度巡航;短距起飞着陆的能力;航程远等。为满足 这些性能的需要,要求所用发动机具有:15000千克力以上的推力、10一级的推重 比、改变推力方向的能力(即具有矢量喷口)、低的巡航耗油率;另外还要求可靠 性高、维修性好。这是对航空发动机业的又一挑战。
从80年代中期起,发动机公司就开始了向推重比10的发动机的攻坚战,经过 10余年努力,于1997年提供了供飞机试飞的F119(图六)。再经几年试飞后,该 发动机将于21世纪初定型。表4列出了用于两代战斗机F-15、F-22的发动机的主 要特点的比较。
二战后的半个多世纪,航空发动机得到了迅猛发展:发动机的推力,由40年 代的200~300 千克力到现在最大己达到45000千克力,几乎增加了二百多倍;耗 油率由大于1 千克/千克力·小时降到最低约为0.35 千克/千克力·小时, 降低 了2/3; 发动机推重比由小于1.0 千克力/千克增大到最大的10.0 千克力/千克, 增加了10余倍;发动机寿命由几小时增加到最长的二三万小时,增加了近万倍!
另外,由前述的战斗机与旅客机发展的例子,又充分说明了发动机在飞机发 展中所起的重大作用。可以毫不夸张的讲,人类在航空领域的每一次重大的革命 性进展,无不与航空发动机技术的突破和进步密切相关。而发动机发展过程中的 每一次突破,又是采用了当时的科学研究、工业生产中与航空发动机有关领域所 取得的成果而获得的。随着科学技术突飞猛进的发展,航空发动机也将得到更大 的发展。推重比为20,耗油率比当前低40%~50%与寿命更长、可靠性维修性更 好的航空发动机将在下世纪初研制成功是有望实现的。■
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