[特一连]航空发动机百年回顾和展望(一)

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二、百年回顾

1、活塞式发动机时期

●早期液冷发动机居主导地位 很早以前,我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔,也曾作过各种尝试,但是多半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去试,但因为发动机太重,都没有成功。到19世纪末,在内燃机开始用于汽车的同时,人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源,并着手这方面的试验。

1903年,莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后,成功地用到他们的"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81 kg,功重比为0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条,带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。

以后,在飞机用于战争目的的推动下,航空特别是在欧洲开始蓬勃发展,法国在当时处于领先地位。美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机,但在参战时连一架可用的新式飞机都没有。在前线的美国航空中队的6287架飞机中有4791架时法国飞机,如装备伊斯潘诺-西扎V型液冷发动机的"斯佩德"战斗机。这种发动机的功率已达130~220kW, 功重比为0.7kW/daN左右。飞机速度超过200km/h,升限6650m。

当时,飞机的飞行速度还比较小,气冷发动机冷却困难。为了冷却,发动机裸露在外,阻力又较大。因此,大多数飞机特别是战斗机采用的是液冷式发动机。期间,1908年由法国塞甘兄弟发明旋转汽缸气冷星型发动机曾风行一时。这种曲轴固定而汽缸旋转的发动机终因功率的增大受到限制,在固定汽缸的气冷星型发动机的冷却问题解决之后退出了历史舞台。

●两次世界大战之间的重要技术发明 在两次世界大战之间,在活塞式发动机领域出现几项重要的发明:发动机整流罩既减小了飞机阻力,又解决了气冷发动机的冷却困难问题,甚至可以的设计两排或四排汽缸的发动机,为增加功率创造了条件;废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;变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出;内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题;向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一;高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性,使汽缸内燃烧前压力由2~3逐步增加到5~6,甚至8~9,既提高了升功率,又降低了耗油率。

●从20世纪20年代中期开始,气冷发动机发展迅速,但液冷发动机仍有一席之地在此期间,在整流罩解决了阻力和冷却问题后,气冷星型发动机由于有刚性大,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。在20世纪20年代中期,美国莱特公司和普?惠公司先后发展出单排的"旋风"和"飓风"以及"黄蜂"和"大黄蜂"发动机,最大功率超过400kW,功重比超过1kW/daN。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600~820kW。此时,螺旋桨战斗机的飞行速度已超过500km/h,飞行高度达10000m。

在第二次世纪大战期间,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1839年7月1日定型,开始时功率为1230kW, 共发展出5个系列几十个改型,最后功率达到2088kW,用于大量的军民用飞机和直升机。单单为P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机,其中P-47 J的最大速度达805km/h。虽然有争议,但据说这是第二次世界大战中飞得最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位。在航空博物馆或航空展览会上,R-2800总是放置在中央位置。甚至有的航空史书上说,如果没有R-2800发动机,在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多。后者有四排28个汽缸,排量为71.5L,功率为2200~3000kW, 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。1941年,围绕六台R-4360发动机设计的B-36轰炸机是少数推进是飞机之一,但未投入使用。莱特公司的R-2600和R-3350发动机也是很有名的双排气冷星型发动机。前者在1939推出,功率为1120kW,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。后者在1941年投入使用,开始时功率为2088kW,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废气涡轮,每个涡轮在最大状态下可发出150kW的功率。这样,R-3350的功率提高到2535kW,耗油率低达0.23kg/(kW穐)。1946年9月,装两台R-3350涡轮组合发动机的P2V1"海王星"飞机创造了18090km的空中不加油的飞行距离世界纪录。液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战中仍在继续。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,美国在这次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。它在1935年11月在"飓风"战斗机上首次飞行时,功率达到708kW;1936年在"喷火"战斗机上飞行时,功率提高到783kW。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624km/h和750km/h。梅林发动机的功率在战争末期达到1238kW,甚至创造过1491kW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,使一种平常的飞机变成战时最优秀的战斗机。"野马"战斗机采用一种不常见的五叶螺旋桨,安装梅林发动机后,最大速度达到760km/h,飞行高度为15000m。除具有当时最快的速度外,"野马"战斗机的另一个突出的优点是有惊人的远航能力,它可以把盟军的轰炸机一直护送到柏林。到战争结束时,"野马"战斗机在空战中共击落敌机4950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"式战斗机的霸主地位。航空史学界把"野马"飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作。

在第二次世界大战开始之后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,发动机的性能提高很快,单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右,功率重量比从0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右,升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦,耗油率从约0.50 kg/(kW穐)降低到0.23~0.27 kg/(kW穐)。翻修寿命从几十小时延长到2000~3000h。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从16km/h提高到近800 km/h,飞行高度达到15000 m。可以说,活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。

● 喷气时代的活塞式发动机 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的水平对缸活塞式发动机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,旋转活塞发动机在无人机上崭露头角,而且美国NASA还正在发展用航空煤油的新型二冲程柴油机供下一代小型通用飞机使用。

美国NASA已经实施了一项通用航空推进计划,为未来安全舒适、操作简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。这种轻型飞机大致是4~6座的,飞行速度在365 km/h左右。一个方案是用涡轮风扇发动机,用它的飞机稍大,有6个座位,速度偏高。另一个方案是用狄塞尔循环活塞式发动机,用它的飞机有4个座位,速度偏低。对发动机的要求为: 功率为150 kW; 耗油率0.22 kg/(kW穐); 满足未来的排放要求; 制造和维修成本降低一半。到2000年,该计划已经进行了500h以上的发动机地面试验,功率达到130 kW,耗油率0.23 kg/(kW穐)。

2、燃气涡轮发动机时期

第二个时期从第二次设计大战结束至今。60年来,航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代,居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下(见表1),涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用,使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。

●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14日和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530daN,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540daN,推重比2.20。后者推力为490daN,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980daN,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755daN,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地拦截了德国的V-1导弹。

战后,美、苏、法通过买专利,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2650daN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。这两种飞机在朝鲜战争期间展开了你死我活的空战。 20世纪50年代初,加力燃烧室的采用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力,为飞机突破声障提供足够的推力。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7000daN和3250daN,推重比各为3.5和4.5。它们分别装在超声速的单发F-100和双发米格-19战斗机上。

在50年代末和60年代初,各国研制了适合M2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60年代中期还发展出用于M3一级飞机的J58和R-31涡喷发动机。到70年代初,用于"协和"超声速客机的奥林帕斯593涡喷发动机定型,最大推力达到17000daN。从此再没有重要的涡喷发动机问世。

涡扇发动机的发展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5730daN,用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比有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7700daN,涵道比1.4,用于波音707和DC-8客机以及军用运输机。

以后,涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。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"鬼怪"F-4M/K战斗机和美国的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,但中间耗油率低,使飞机航程大大增加。在70~80年代,各国研制出推重比8一级的涡扇发动机,如美国的F!00、F404、F110,西欧三国的RB199,前苏联的RD-33和AL-31F。它们装备目前在一线的第三战斗机,如F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27。目前,推重比10一级的涡扇发动机已研制成功,即将投入服役。它们包括美国的F-22/F119、西欧的EFA2000/EJ200和法国的"阵风"/M88。其中,F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征--超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F136正在研制之中,预计将于2010~2012年投入服役。

自20世纪70年代第一代推力在20000daN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20000daN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。10000~15000daN推力级的CFM56系列已生产13000多台,并创造了机上寿命超过30000h的记录。民用涡扇发动机依然投入使用以来,已使巡航耗油率降低一半,噪声下降20dB, CO、UHC、NOX分别减少70%、90%、45%。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35000daN。其中,通用电气公司GE90-115B在2003年2月创造了56900daN的发动机推力世界纪录。目前,普?惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000,这种齿轮传动涡扇发动机,推力为11 000~16 000daN,涵道比11,耗油率下降9%。

●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、美国和前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2580~4414 kW ,有多个军民用系列,已生产了17000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。前苏联的HK-12M的最达功率达11000kW,用于图-20"熊"式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制,在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机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,40年来,这个功率范围为350~1100kW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30000多台。美国在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是当前最先进的涡桨发动机,功率范围为2983~5966 kW,其起飞耗油率特低,为0.249 kg/(kW穐)。

最近西欧四国决定为欧洲中型军用运输机A400M研制TP400涡桨发动机。该发动机以法国的M88的核心机为基础,功率为7460kW,计划于2008年定型。

在20世纪80年代后期,掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验,其中通用电气公司的无涵道风扇(UDF)GE36曾进行了飞行试验。由于种种原因,只有俄罗斯和乌克兰的安-70/D-27进入工程研制并计划批生产装备部队。但因飞机技术老化、发动机噪声不符合欧洲标准和试验中发生的问题较多,最近俄乌双方作出放弃装备该机的决定。

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。半个世纪以来,涡轴发动机已成功低发展出四代,功重比已从2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN。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-701A和TV3-117VM,装备AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。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,用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的D-136,起飞功率为7500 kW,装两台发动机的米-26直升机可运载20 t的货物。以T406涡轮轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22突破常规旋翼机400 km/h的飞行速度上限,一下子提高到638 km/h。

目前,美国正准备利陆军计划利用高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划第一阶段和第二阶段的成果发展用于UH-60A"黑鹰"/AH-64A"阿帕奇"改进型的动力--共用发动机项目(CEP)。CEP的目标是耗油率减少25~30%,功重比提高60%,采购成本和维护成本最小减少20%,使直升机的航程增加60%或载荷增加70%,同时减少后勤服务和维护的负担。CEP项目的生产型发动机的功率限制在2240kW 。

为满足未来运输旋翼机(FTR)的动力需求,2004财年将开始一个利用IHPTET第二阶段和第三阶段技术的发动机验证计划。这种发动机的功率为7460kW,其工程和制造研制(EMD)将于2008到2010财年进行。预计FTR与现在的重型运输直升机相比,可使航程增加三倍,或载荷增加一倍。

航空燃气涡轮发动机问世以后的60年来在技术上取得的重大进步可用下列数字表明:

服役的战斗机发动机推重比从2提高到7~9,已经定型并即将投入使用的达9~10。民用大涵道比涡扇发动机的最大推力已超过50000 daN,巡航耗油率从50年代涡喷发动机1.0 kg/(daN穐)下降到0.55 kg/(daN穐), 噪声已下降20dB,CO、UHC和NOx分别下降70%、90%和45%。

服役的直升机用涡轴发动机的功重比从2kW/daN提高到4.6~6.1 kW/daN,已经定型并即将投入使用的达6.8~7.1 kW/daN。

发动机可靠性和耐久性倍增,军用发动机空中停车率一般为0.2~0.4/1 000发动机飞行小时,民用发动机为0.002~0.02/1 000发动机飞行小时。战斗机发动机整机定型要求通过4300~6000TAC循环试验,相当于平时使用10多年,热端零件寿命达到2 000h;民用发动机热端部件寿命,为7000~10000 h,整机的机上寿命达到15000~20 000 h,也相当使用10年左右。

总之,60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,其中包M3一级的战斗/侦察机,具有超声速巡航、隐身、短距起落和超机动能力的战斗机、亚声速垂直起落战斗机、满足180min 双发干线客机延长航程(ETOPS)要求的宽体客机、有效载重大20t的巨型直升机和速度超过600km/h的倾转旋翼机。同时,还为各种航空改型轻型地面燃气轮机打下基础。


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