燃气涡轮发动机的发展历程

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：燃气涡轮发动机作为地面动力源，最初得到利用并广泛普及的是1872年德国的斯托尔塞，配备有目前燃气涡轮发动机主要素的压缩器和涡轮。德国的Holzwarth于1908年制造完成了10MW的大型燃气涡轮发动机发电装置。英国的费兰科·卫通在1930年取得了将燃气涡轮发动机用作航空器推进器的专利。目前燃气涡轮发动机技术持续发展，最近小型燃气涡轮发动机的发展举世瞩目。表12-2和表12-3分别显示了燃气涡轮发动机开发历史背景和初期燃气涡轮发动机的主要项目。

燃气涡轮发动机是1791年由约翰·巴伯提出并取得专利的，在“为了发生运动的目的，生成可燃性空气的方法”中介绍其基础理论之后，80年代得到了白热化的研究。人们由此开发了地面动力用发动机，1940年前后用作航空用发动机，得到了急速发展。

燃气涡轮发动机作为地面动力源，最初得到利用并广泛普及的是1872年德国的斯托尔塞（Stolze），配备有目前燃气涡轮发动机主要素的压缩器和涡轮。法国的C.Lemale和R.Armengaud于1901年、1903年取得了专利，由布朗勃法瑞（Brown Boveri）公司制造并试运行，动力性能为4000r/min时300PS。

德国的Holzwarth于1908年制造完成了10MW的大型燃气涡轮发动机发电装置。压力为2.5大气压，热效率为12.5%。随后，瑞士的布朗勃法瑞公司制造的燃气涡轮发动机配备了10～12级压缩器和4～5级反动涡轮，涡轮入口的排气温度（TIT）为815℃，总和热效率为22%～26%。

英国的费兰科·卫通（F.Whittle）在1930年取得了将燃气涡轮发动机用作航空器推进器的专利。但是，喷气发动机的开发和飞行是德国要稍早一些。德国的H.Ohain研发了以氢气为燃料的航空用燃气涡轮发动机，由亨克尔（Heinkel）公司制造，于1937年3月试运行了推力为2.45kN的发动机。其后，把燃料改为汽油，制造完成了HeS-3B发动机，并于1939年8月安装在亨克尔He178机体上，进行了世上最早的涡轮喷气式飞行。开发到实用阶段并批量生产的是，德国勇克（Junker）公司的Jumo004发动机和宝马公司的BMW003发动机。德国在20世纪50年代之前共生产了500台以上。Jumo004发动机使用了6个圆筒型（罐型）燃烧器，BMW003发动机的燃烧器配备了16个带有旋转喷油器和挡板类型火焰稳定器的环状燃烧器。

在英国，1936年3月Power Jet公司成立了，弗兰克·惠特尼（Frank Whittle）在该公司的协助下开始了发动机的开发，于1936年3月最早取得了涡扇发动机的专利，并于1937年4月12日成功试运行了推力为5.34kN的W-1U型发动机。

随后，对发动机进行改良，把推力为3.78kN、质量为283kg的W1A涡轮喷气发动机安装在格罗斯特（Gloster）E28/39飞机机体上。该飞机于1941年5月15日首次试飞成功，飞行了约17min。之后，英国的卢卡斯（Lucas）公司确立了现在最常用的压力喷射阀燃烧器的基本结构，奠定了燃气涡轮发动机设计的基础。

目前燃气涡轮发动机技术持续发展，最近小型燃气涡轮发动机的发展举世瞩目。利用CFD或有限元法等方法，研发了能在高压缩比和高温状态下运行、进行有效燃烧和冷却的发动机。从20世纪90年代开始采用箔轴承，可以不使用润滑油便能在高温状态下运行。另外，随着电力转换技术的发展，微型燃气涡轮发动机分散性电力技术也正处于普及趋势。

表12-2和表12-3分别显示了燃气涡轮发动机开发历史背景和初期燃气涡轮发动机的主要项目。

表12-2 燃气涡轮发动机开发历史背景