航空发动机工程通论-活塞式发动机

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在两次世界大战之间，在活塞式发动机领域出现了几项重要的技术进步，为大幅度提高发动机和飞机的性能创造了条件。液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战期间仍在继续。

1.1.1.1　液冷发动机阶段

很早以前，我们的先辈就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，也曾做过各种尝试，但是大部分因为动力源问题未获得解决而归于失败。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上作为动力源，但因为蒸汽机作为飞机发动机太重，而没有成功。到19 世纪末，在内燃机开始用作汽车动力的同时，人们即想到把内燃机作为飞机的动力源，并着手这方面的探索。

1903年，莱特兄弟和技师泰勒把一台4 缸、水平直列式水冷发动机改装之后用于其“飞行者一号”飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出8.95 kW 的功率，重量却有约80 kg，功率/重量比（功重比）约为0.11 kW/kg。发动机通过两根链条带动两个直径为2.6 m 的木制螺旋桨旋转而产生拉力。飞机首次飞行的留空时间只有12 s，飞行距离为36.6 m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操纵的重于空气飞行器的成功飞行（John D.Anderson［4］）。

其后，在战争的推动下，特别是在欧洲，航空开始蓬勃发展，法国在当时处于技术领先地位。美国虽然发明了飞机并且制造了第一架军用飞机，但在参战时还没有可用的新式飞机。在前线作战的美军的6 287 架飞机中有4 791 架是法国飞机，如装备了伊斯潘诺－西扎V 型液冷发动机的“斯佩德”战斗机。这种飞机速度超过200 km/h，升限6 650 m，其发动机的功率已达130～220 kW，功重比为0.7 kW/kg 左右。

当时，飞机的飞行速度还比较低，气冷式发动机冷却效果差，发动机为了冷却需要裸露在外，飞机阻力就较大，因此大多数飞机特别是战斗机采用的是液冷式发动机。

在两次世界大战之间，在活塞式发动机领域出现了几项重要的技术进步，为大幅度提高发动机和飞机的性能创造了条件。

1）发动机整流罩，既减小了飞机阻力，又有助于解决气冷发动机的冷却问题，甚至可以设计两排或四排气缸的发动机，为增加功率创造了条件；

2）尾气涡轮增压器，提高了高空条件下的进气压力，改善了发动机的高空性能；

3）变距螺旋桨，可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出；

4）内充金属钠的冷却排气门，解决了排气门的过热问题；

5）向气缸内喷水和甲醇的混合液，可在短时间内增加三分之一功率；

6）高辛烷值燃料，提高了燃油的抗爆性，使气缸内燃烧前压力由2～3 atm^[1]逐步增加到5～6 atm，甚至8～9 atm，既提高了升功率，又降低了耗油率。

1.1.1.2　气冷发动机阶段

从20 世纪20年代中期开始，气冷发动机发展迅速。在整流罩解决了阻力和冷却问题后，气冷星型发动机由于具有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性好，功率增长潜力大等优点而得到迅速发展，并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上取代液冷发动机。美国莱特公司和普·惠公司先后发展出单排的“旋风”“飓风”以及“黄蜂”“大黄蜂”发动机，最大功率超过400 kW，功重比超过1 kW/kg。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机的研制成功，发动机功率已提高到600～820 kW。此时，螺旋桨战斗机的飞行速度已超过500 km/h，飞行高度达10 000 m。

在第二次世界大战期间，气冷星型发动机继续向大功率方向发展，其中比较著名的有普·惠公司的双排“双黄蜂”（R－2800）和四排“巨黄蜂”（R－4360），前者在1939年服役，开始时功率为1 230 kW，共发展出5 个系列几十个改进型号，最后功率达到2 088 kW，用于大量军、民用飞机和直升机，R－2800 发动机仅为P－47 战斗机就生产了24 000 台，其中P－47 J 飞机的最大速度达805 km/h，据称是第二次世界大战中飞得最快的战斗机；后者有四排28 个气缸，排量为71.5 L，功率为2 200～3 000 kW，是世界上功率最大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。莱特公司的R－2600 和R－3350 发动机也是很著名的双排气冷星型发动机，前者在1939年推出，功率为1 120 kW，用于第一架载买票旅客飞越大西洋的波音公司“快帆”314 型四发水上飞机以及一些较小的鱼雷机、轰炸机和攻击机；后者于1941年投入使用，开始时功率为2 088 kW，主要用于著名的B－29“空中堡垒”战略轰炸机。R－3350 在战后发展出一种重要改型——涡轮组合发动机，发动机的排气驱动三个沿周向均布的尾气涡轮，每个涡轮在最大状态下可发出150 kW 的功率。这样，R－3350 的功率提高到了2 535 kW，耗油率低达0.23 kg/（kW·h）。1946年9月，装载两台 R－3350 涡轮组合发动机的P2V1“海王星”飞机创造了空中不加油飞行18 090 km 的世界纪录。

液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战期间仍在继续。液冷发动机虽然有许多缺点，但它的迎风面积小，对高速战斗机特别有利，而且战斗机的飞行高度高，受地面火力的威胁小，液冷发动机易损的弱点不突出。所以，它在许多战斗机上得到应用。例如，美国在第二次世界大战中生产量最大的5 种战斗机中有4 种采用液冷发动机。其中，值得一提的是英国罗·罗公司的“梅林”发动机，1935年11月它在“飓风”战斗机上首次飞行时，功率达到708 kW；1936年在“喷火”战斗机上飞行时，功率提高到783 kW。这两种飞机都是第二次世界大战期间有名的战斗机，速度分别达到624 km/h 和750 km/h。“梅林”发动机的功率在战争末期达到 1 238 kW，甚至创造过1 491 kW 的纪录。美国派克公司按专利生产了“梅林”发动机，用于改装P－51“野马”战斗机，使一种普通的飞机变成了战时最优秀的战斗机。“野马”战斗机采用一个不常见的五叶螺旋桨，安装“梅林”发动机后，飞行高度为15 000 m，最大速度达到760 km/h，是当时飞得最快的飞机，并且有惊人的远航能力。到战争结束时，“野马”战斗机在空战中共击落敌机4 950 架，居欧洲战场的首位。在远东和太平洋战场上，由于“野马”战斗机的参战，才结束了日本“零”式战斗机的空中霸主地位。航空史学界把“野马”战斗机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作。

航空活塞发动机在第二次世界大战开始之初和战后的最主要的技术进展有直接注油、涡轮组合发动机和低压点火。

在两次世界大战的推动下，航空活塞发动机的性能得到快速提高，单机功率从不到10 kW 增加到 3 000 kW 左右，功重比从 0.11 kW/kg 提高到约 1.5 kW/kg，升功率从每升排量几千瓦增加到40～50 kW，耗油率从约0.50 kg/（kW·h）降低到0.23～0.27 kg/（kW·h），翻修寿命从几十小时延长到2 000～3 000 h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度已发展到近800 km/h，飞行高度达到15 000 m。可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。

在第二次世界大战结束后，由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气飞机时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于370 kW 的活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机，活塞发动机目前在中小型无人机上占据了主要地位。有关活塞发动机的详细资料可以参考 Smith H.［5］、C.Fayette Taylor［6］、付尧明［7］、李卫东［8］等的相关著作。

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