航空发动机划代说明-航空发动机工程通论

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：为便于发动机划代分析，先简要介绍一下战斗机的划代情况。刘永泉［23］对战斗机发动机用涡喷、涡扇发动机的发展作了详细论述，见表1－1。这一代涡喷发动机的推重比只有2～3，均为单转子发动机，一部分为离心式发动机，一部分为轴流式发动机。F119 是最为典型的第三代军用涡扇发动机，推重比超过9，能够为飞机提供不加力超音速巡航的能力。

对于战斗机发动机划代的问题，由于苏联和美、英等西方国家的航空发动机发展历程略有不同，所以两者的划代方法也不尽一致，目前用得较多的是美、英等西方国家的划代方法。

为便于发动机划代分析，先简要介绍一下战斗机的划代情况。自20 世纪50年代初第一代超声速战斗机开始服役以来，至今已发展到第四代。第一代是20 世纪50年代初开始投入使用的M1.3～1.5 的低超声速战斗机，代表机型是美国的F－100 和苏联的米格－19；第二代是20 世纪50年代末、60年代初开始投入使用的Ma2.0 一级的战斗机，美国以F－104、F－4 为代表，苏联以米格－21、米格－23 为代表，法国的“幻影”Ⅲ、“幻影”F.1 及瑞典的Saab－37 均属于这一代；第三代战斗机于20 世纪70年代中期开始投入使用，典型机型是美国的 F－15、F－16 及 F－18，俄罗斯的米格－29 和苏－27，法国的“幻影”2000，英国的“狂风”等；第四代战斗机目前已研制成功，有的已投入使用，典型的机型是美国的F－22、F－35，俄罗斯的苏－57，西欧四国（英、德、意、西班牙）的EF2000 等。十多年前，国外已经把这些第四代战斗机和发动机直接划为第五代，我国目前仍沿用以前的划代方法，称F－22 飞机等为第四代。刘永泉［23］对战斗机发动机用涡喷、涡扇发动机的发展作了详细论述，见表1－1。

表1-1　涡喷、涡扇发动机的发展历程

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续表

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对于涡喷发动机，它的划代方法如下：

第一代涡喷发动机，用于配装亚声速战斗机，于20 世纪40年代中后期开始服役，代表机型有苏联的 BK－1（配装米格－15）、BK－1Ф（配装米格－17），美国的 J47（配装 F－86F）、J65（配装F－84F）。这一代涡喷发动机的推重比只有2～3，均为单转子发动机，一部分为离心式发动机，一部分为轴流式发动机。

第二代涡喷发动机，主要用于配装第一代超声速战斗机，部分用于第二代战斗机，于20 世纪50年代中期开始服役，代表机型有苏联的 РД－9Б（配装米格－19）及美国的 J57（配装 F－100）、J79（配装 F－4、F－104）。这一代涡喷发动机多是单转子加力式涡喷发动机（J57 是双转子发动机），推重比为4～5，发动机的性能较低，结构相对不太复杂，研制周期也较短，从方案设计到通过定型一般不到5年时间。

第三代涡喷发动机，主要用于配装第二代超音速战斗机，于20 世纪50年代末、60年代初开始服役。第三代涡喷发动机主要由苏联发展研制，美、英等西方国家此时已开始发展和使用第一代涡扇发动机，代表机型有苏联的 Р－11（配装米格－21）、Р－13（配装米格－21）、Р－29－300（配装米格－23）。这一代涡喷发动机是双转子加力式涡喷发动机，性能较好，推重比为5.5～6.5。由于苏联拥有很成熟的涡喷发动机技术，所以这一代涡喷发动机的研制周期也不长，一般为5～7年。

涡喷发动机发展到第三代，几乎已达到发展的顶峰，目前世界各国基本上都不再发展战斗机用的涡喷发动机，转而发展军用涡扇发动机。

对于涡扇发动机，它的划代方法如下：

1）第一代军用涡扇发动机，是20 世纪60年代末和70年代初发展起来的，第一台用于战斗机的加力涡扇发动机TF30 于1967年10月于美国空军服役，代表机型有美国的TF30（配装 F－111、F－14）、英国的斯贝 MK202（配装 F－4K、F－4M）、瑞典的 RM8（配装Saab－37）等。这一代发动机的性能水平比较低，推重比只有5～6。西方国家在研制这一代涡扇发动机时，通常花费5～7年的时间。

2）第二代军用涡扇发动机，是20 世纪70年代中后期和80年代发展起来的，用于配装第三代战斗机，第一台高性能的第二代涡扇发动机F100 于1974年11月于美国空军服役，代表机型有美国的 F100（配装 F－15、F－16）、F110（配装 F－14、F－15、F－16）、F404（配装 F/A－18），英、德、意联合研制的 RB199（配装“狂风”），法国的M53－P2（配装“幻影”2000），俄罗斯的 РД－33（配装米格－29）、АЛ－31Ф（配装苏－27、苏－30）等。

第二代军用涡扇发动机是当前世界各国广泛使用的军用航空发动机，这一代发动机性能较高，除 M53－P2 的推重比为 6.6、不加力耗油率为 0.9 kg/（daN·h）外，其他发动机的推重比都达到7～8.0 一级，不加力耗油率都降至0.6～0.8 kg/（daN·h），可靠性、维修性、耐久性好，作战适用性强。

第二代军用涡扇发动机在设计上的主要突出特点有：中等涵道比（0.6～1.0），短环形燃烧室，高压涡轮前温度约1 650～1 750 K，收－扩喷管；单元体设计；带有状态监控的数控系统；应用部分新型合金及复合材料等。

第二代军用涡扇发动机性能较高，结构比较复杂，在研制中通常走了从验证机到原型机的发展道路，而且在原型机研制成功之后还在进行不断的改进和改型发展。这一代涡扇发动机的研制，从验证机研制开始，到原型机研制结束，通常用了10年左右的时间，研制费用为4 亿～5 亿美元。

3）第三代军用涡扇发动机，是20 世纪90年代发展起来的，用于配装第四代先进战斗机，目前已研制成功并投入使用，代表机型有美国的F119（配装 F－22）、F135（配装 F－35），法国的 M88－2（配装“阵风”），西欧四国（英、德、意、西班牙）的EJ200（配装 EF2000）等。

F119 是最为典型的第三代军用涡扇发动机，推重比超过9，能够为飞机提供不加力超音速巡航的能力。在设计上的主要突出特点有：小涵道比（只有0.2～0.3）；浮壁式短环形燃烧室；高涡轮前温度（高达2 000～2 100 K）；二元矢量喷管；第三代双余度全权限数控系统；应用部分新型合金及复合材料，采用多种新型先进工艺等。

最为先进的现役军用航空发动机综合了各种先进的航空发动机技术，体现了当今世界航空发动机的技术水平。由于这种原因，这一代涡扇发动机的研制周期很长，从验证机研制开始到原型机研制结束，通常要用15年以上；研制费用也很高，高达二十几亿美元（当时价格）。

通常，为了方便描述，人们将发动机与飞机一起划代，即一代飞机、一代发动机。比如，美国将F－15 飞机和配备的F－100 发动机均称为第4 代，将F－22 飞机和配备的F－119 发动机均称为第5 代，中国、俄罗斯则将上述机型分别称为第3 代和第4 代。

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