燃气涡轮发动机 - 《航空发动机工程通论》

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在第二次世界大战末期，诞生了航空燃气涡轮发动机，开创了喷气飞机时代。多年来，航空燃气涡轮发动机逐步取代了活塞式发动机而占据了航空动力的主导地位，使航空器的性能跨上一个又一个新的台阶。

在第二次世界大战末期，诞生了航空燃气涡轮发动机，开创了喷气飞机时代。多年来，航空燃气涡轮发动机逐步取代了活塞式发动机而占据了航空动力的主导地位，使航空器的性能跨上一个又一个新的台阶。

1.1.2.1　涡喷/涡扇发动机

英国的惠特尔和德国的奥海因分别在1937年7月和1937年9月研制成功离心式涡轮喷气发动机WU 和HeS3B。前者推力为530 daN^[2]，但1941年5月15日首次试飞的格罗斯特公司 E28/39 飞机装的是其改进型 W1B，推力为540 daN，推力/重量比（推重比）约为2.20；后者推力为490 daN，推重比1.38，于1939年8月27日率先装在亨克尔公司的He－178 飞机上试飞成功，这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开创了喷气推进新时代和航空事业的新纪元。

世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫－004，1940年10月开始台架试车，1941年12月推力达到980 daN，1942年7月18日装在梅塞施米特 Me－262 飞机上试飞成功。自 1944年9月至 1945年5月，Me－262 飞机共击落盟军飞机 613 架，自己损失200 架（包括非战斗损失）。英国的第一种实用涡轮喷气发动机是1943年4月罗·罗公司推出的威兰德，推力为755 daN，推重比2.0。该发动机当年投入生产后即装备“流星”战斗机，于1944年5月交给英国空军使用，该机曾在英吉利海峡上空成功拦截了德国的V－1 导弹。

第二次世界大战后，美、苏、法通过购买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气公司的J47 轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD－45 离心式涡喷发动机的推力都在2 650 daN 左右，推重比为2～3，它们分别在1949年和1948年装在F－86 和米格－15 战斗机上服役。这两种飞机分别用于朝鲜战争期间的激烈空战。

20 世纪50年代初，加力燃烧室的采用使发动机能够大幅度提高短时间的推力，为飞机突破声障提供了足够的推力。典型的发动机有美国的J57 和苏联的RD－9B，它们的加力推力分别为7 000 daN 和3 250 daN，推重比各为3.5 和4.5，分别装在超声速的单发F－100 和双发米格－19 战斗机上。

在20 世纪50年代末和60年代初，多国研制了适合飞行马赫数2（Ma2）以上飞机的一批涡喷发动机，如 J79、J75、埃汶、奥林帕斯、阿塔 9C、R－11 和 R－13，推重比已达5～6。在20 世纪60年代中期还发展出用于Ma3 一级飞机的J58 和R－31 涡喷发动机。到20 世纪70年代初，用于“协和”超声速客机的奥林帕斯593 涡喷发动机诞生，最大推力达到17 000 daN。以后，再没有重要的涡喷发动机问世。

涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的基础上发展而来的，是从民用发动机开始的。世界上第一台涡扇发动机是1959年定型的英国康维，推力为5 730 daN，用于VC－10、DC－8 和波音707 客机，涵道比（外涵道空气流量/内涵道空气流量）有0.3 和0.6两种，耗油率比同时期的涡喷发动机低10%～20%。1960年，美国在JT3C 涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D 涡扇发动机，推力超过7 700 daN，涵道比为1.4，用于波音707 和DC－8 客机以及军用运输机。

以后，涡扇发动机分别向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机两个方向发展。

在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，20 世纪60年代，英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝－MK202 和TF30，分别用于英国购买的美国“鬼怪”F－4M/K 战斗机和F111（后又用于F－14 战斗机）。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，为5～6，但中间状态耗油率低，使飞机航程大大增加。在20 世纪70—80年代，各国研制出推重比为8 一级的涡扇发动机，如美国的F100、F404、F110，西欧三国的RB199，苏联的RD－33 和AL－31F。它们装备目前在一线的第三代战斗机，如 F－15、F－16、F－18、“狂风”、米格－29 和苏－27 等。目前，推重比为 10 一级的涡扇发动机已研制成功并服役，它们包括美国的F119、欧洲的EJ200 和法国的M88－2，分别配装F－22、EFA2000 和“阵风”飞机，其中，装有F119 发动机的F－22 飞机具有第四代战斗机代表性特征——超声速巡航、超机动性和隐身能力等。在F119 发动机基础上进一步提升推力改进的F135 发动机，配装F35 飞机，可以实现飞机短距起飞、垂直着陆。

自20 世纪70年代第一代推力在20 000 daN 以上的高涵道比（4～6）涡扇发动机投入使用以来，开创了大型宽体客机的新时代。后来，又发展出推力小于20 000 daN 的不同推力级的高涵道比涡扇发动机，广泛用于各种干线和支线客机。10 000～15 000 daN推力级的CFM56 系列已生产13 000 多台，并创造了机上寿命单机超过30 000 h 的纪录。民用涡扇发动机自投入使用以来，已使巡航耗油率降低一半，噪声下降20 dB，CO、UHC（未燃烧烃）、NOx分别减少70%、90%、45%。20 世纪90年代中期装备波音777投入使用的第二代高涵道比（6～9）涡扇发动机的推力超过35 000 daN，其中，通用电气公司GE90－115B 在2003年2月创造了56 900 daN 的发动机推力世界纪录。目前，普·惠公司研制成功新一代齿轮传动涡扇发动机——PW1000 系列发动机，通过在风扇和低压涡轮之间加入传动齿轮箱，使两个部件能够在其最佳转速下工作，进一步降低油耗10%左右。

1.1.2.2　涡桨/涡轴发动机

1942年，英国开始研制世界上第一台涡桨发动机“曼巴”，该机装在海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。以后，英国、美国和苏联陆续研制出多种涡桨发动机，如达特、T56、AI－20 和AI－24，这些涡桨发动机的耗油率低、起飞推力大，装备了一些重要的运输机和轰炸机。美国在 1956年服役的涡桨发动机 T56/501，装于 C－130 运输机、P3－C 侦察机和E－2C 预警机。它的功率范围为2 580～4 414 kW，有多个军、民用系列，已生产了17 000 多台，出口到50 多个国家和地区，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一，至今还在生产。苏联HK－12M 涡桨发动机的最大功率达11 000 kW，用于图－20“熊”式轰炸机、安－22 军用运输机和图－114 民用运输机。涡轮螺旋桨发动机，终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，在大型飞机上逐步被涡轮风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。其中加拿大普·惠公司的PT6A 发动机是典型代表，近60年来这个功率范围为350～1 100 kW 的发动机系列已发展出30 多个改型，用于144 个国家的近百种飞机，共生产了30 000 多台。美国20 世纪90年代在T56 和T406 的基础上研制出新一代高速支线飞机用的AE2100 先进涡桨发动机，功率范围为 2 983～5 966 kW，其起飞耗油率低，为0.249 kg/（kW·h）。

前些年，西欧四国为欧洲中型军用运输机A400M 研制TP400 涡桨发动机。该发动机以法国M88 的核心机为基础，功率为7 460 kW，目前已经装备在飞机上使用。

在20 世纪80年代后期，一些著名公司研发性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机（propfan engine），后来也叫无涵道风扇发动机（unducted fan engine），而且在不同程度上进行了设计和试验。其中，通用电气公司的无涵道风扇GE36 曾进行了飞行试验，只有乌克兰研制的D27 发动机在安－70 飞机上进入工程研制并批量生产。

从1950年法国透博梅卡公司研制出206 kW 的阿都斯特Ⅰ型涡轴发动机并装备美国的S52－5 直升机上首飞成功以后，涡轮轴发动机在直升机领域逐步取代活塞式发动机而成为最主要的动力形式。半个多世纪以来，涡轴发动机已成功发展出四代，功重比已从2 kW/kg 提高到9 kW/kg。第三代涡轴发动机是20 世纪70年代设计，80年代投产的产品，主要代表机型有马基拉、T700－GE－701 和 TV3－117VM，分别装备 AS322“超美洲豹”、UH－60A、AH－64A、米－24 和卡－52 等直升机。第四代涡轴发动机是20世纪80年代末、90年代初开始研制的新一代发动机，代表机型有英、法联合研制的RTM322，美国的 T800－LHT－800，德法英联合研制的 MTR390 和俄罗斯的 TVD1500，分别用于 NH－90、EH－101、WAH－64、RAH－66“科曼奇”、PAH－2/HAP/HAC“虎”和卡－52 等直升机。世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的D－136，起飞功率为7 500 kW，装备两台发动机的米－26 直升机可载重约20 t。以T406 涡轮轴发动机为动力的倾转旋翼机V－22 突破了常规旋翼机400 km/h 的飞行速度，速度上限提高到了 638 km/h。

自航空燃气涡轮发动机问世以后的约80年来，在技术上取得的重大进步可用下列数字表明。

1）服役的战斗机发动机推重比从2 提高到9～10。

2）民用大涵道比涡扇发动机的最大推力已超过50 000 daN，巡航耗油率从20 世纪50年代涡喷发动机 1.0 kg/（daN·h）下降到 0.55 kg/（daN·h），噪声已下降 20 dB，CO、UHC 和NOx分别下降70%、90%和45%。

3）服役的直升机用涡轴发动机的功重比从2 kW/kg 提高到8～9 kW/kg。

4）发动机的可靠性和耐久性倍增，军用发动机空中停车率一般为0.1～0.4/1 000飞行小时，民用发动机为0.002～0.02/1 000 飞行小时。战斗机发动机整机定型要求通过4 300～6 000TAC（总累积循环）循环试验，热端零件寿命达到4 000 h，相当于平时使用10 多年；民用发动机热端部件寿命达40 000 h，整机寿命也达到40 000 h，也相当使用10年左右。

总之，80 多年来航空涡轮发动机已经发展得相当成熟，为各种航空器的发展作出了重要贡献，同时还为各种航空发动机改型为轻型地面燃气轮机提供了基础。更详尽的资料参见詹姆斯·彼得关于美国航空发动机的发展历史［9］、彭友梅关于苏联/俄罗斯/乌克兰的航空发动机发展史［10］、彼得·皮尤关于罗·罗公司的发展历史［11］［12］［13］、马克·P.沙利文关于普·惠公司的发展历史［14］、倪金刚的GE 公司发展史［15］，以及罗·罗公司的航空发动机科普著作［16］等。

为满足21 世纪各种航空器发展的要求，航空发达国家从20 世纪80年代末开始实施一系列新的涡轮发动机技术发展计划，进一步提高推重比、降低耗油率和提高经济承受性。在高超声速推进方面，重点发展超声速燃烧冲压发动机和连续爆燃发动机，近期目标是实现M 4～8 的导弹推进系统，远期目标是发展供高超声速有人驾驶飞机、跨大气层飞行器和低成本可重复使用的天地间往返运输系统的组合动力系统。一些新概念发动机和新能源发动机也在探索之中，如以微机电技术为基础的微型无人机用超微型涡轮发动机和多电发动机，混合电推进以及液氢燃料、燃料电池、太阳能和微波能等新能源动力。更详细的可见金捷等对涡轮基组合循环发动机的介绍［17］、郑龙席等对各种新型发动机原理进行的描述［18］、严传俊对脉冲爆燃发动机进行的研究［19］，等等。可以说，航空发动机技术正呈现出加速发展的态势。

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