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精密儀器

世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

導(dǎo)讀航空發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史大致可分為兩個(gè)時(shí)期。第一個(gè)時(shí)期從首次動(dòng)力開始到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束。在這個(gè)時(shí)期,活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)治了40年左右。第二個(gè)時(shí)期從第二次世界大戰(zhàn)至今。60多年來(lái),航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),開創(chuàng)了噴氣時(shí)代。

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1903年,萊特兄弟把一臺(tái)4缸、水平直列式水冷發(fā)動(dòng)機(jī)改裝之后,成功地用到他們的"飛行者一號(hào)"飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)出8.95 kW的功率,重量卻有81 kg,功重比為0.11kW/daN。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)兩根自行車上那樣的鏈條,帶動(dòng)兩個(gè)直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時(shí)間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動(dòng)力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。

 

在兩次世界大戰(zhàn)的推動(dòng)下,活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)不斷改進(jìn)完善,得到迅速發(fā)展,第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前后達(dá)到其技術(shù)的頂峰。發(fā)動(dòng)機(jī)功率從近10kW提高到2500kW左右,功率重量比(發(fā)動(dòng)機(jī)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重力之比,簡(jiǎn)稱功重比,計(jì)量單位是kW/daN)從0.11kW/daN提高到1.5kW/daN,飛行高度達(dá)15000m,飛行速度從16km/h提高到近800km/h,接近了螺旋槳飛機(jī)的速度極限。

 

20世紀(jì)30~40年代是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的全盛時(shí)期。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加上螺旋槳,構(gòu)成了所有戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和偵察機(jī)的動(dòng)力裝置;活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加上旋翼,構(gòu)成所有直升機(jī)的動(dòng)力裝置。著名的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有:英國(guó)的梅林V12缸液冷式發(fā)動(dòng)機(jī),功率1120kW,用于“颶風(fēng)”、“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機(jī);美國(guó)普拉特·惠特尼公司(簡(jiǎn)稱普·惠公司)的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動(dòng)機(jī),氣缸7~28個(gè),功率970~2500kW,廣泛用于各種戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)。

 

帶螺旋槳的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是飛行速度受到限制(800km/h以下)。一方面,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)需要功率與飛行速度的三次方成正比,隨著速度的提高,所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率急劇增大,而通過(guò)增加汽缸數(shù)目來(lái)增大功率所帶來(lái)的重量負(fù)荷飛機(jī)不能承受;另一方面,隨著飛行速度的提高,螺旋槳的效率急劇下降并有機(jī)毀人亡的危險(xiǎn)。因此,為了實(shí)現(xiàn)高速飛行,必須尋求新的動(dòng)力裝置,這就是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。第二次世界大戰(zhàn)之后,隨著渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸退出了航空領(lǐng)域的霸主地位。

 

二、噴氣推進(jìn)新時(shí)代

1)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)是一種直接反作用推進(jìn)裝置。低速工質(zhì)(空氣和燃料)經(jīng)增壓燃燒后以高速噴出而直接產(chǎn)生反作用推力。由于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有了限制飛行速度的螺旋槳,而且單位時(shí)間流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)大得多,從而能產(chǎn)生很大的推力,使飛機(jī)的飛行速度得到極大的提高。


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與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理有關(guān)的研究已有久遠(yuǎn)的歷史,中國(guó)古代的火箭和走馬燈就是噴氣推進(jìn)和渦輪機(jī)原理的體現(xiàn)。

 

1913年,法國(guó)工程師雷恩·羅蘭獲得第一個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)專利,它屬于無(wú)壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),與后來(lái)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推力大,特別適合高速飛行。無(wú)壓氣機(jī)式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)還有脈沖式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。脈沖式發(fā)動(dòng)機(jī)是沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種特殊形式,沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。有壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是由英國(guó)人弗萊克·惠特爾和德國(guó)人漢斯·馮·奧海因在同一時(shí)期分別發(fā)明的。壓氣機(jī)有離心式、軸流式、組合式等多種,由后面的燃?xì)鉁u輪帶動(dòng),所以這類發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

空軍少?;萏貭?/span>1930年申請(qǐng)了專利,19374月研制出世界上第一臺(tái)離心式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),試驗(yàn)中的推力達(dá)到的推力為200daN。19415月,推力為650daN的改進(jìn)型惠特爾發(fā)動(dòng)機(jī)裝在格羅斯特公司的E28/29飛機(jī)上進(jìn)行了成功的首飛。

 

奧海因在193810月試驗(yàn)了采用軸流—離心組合式壓氣機(jī)的HeS3渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),實(shí)測(cè)推力400daN,推力重力比1.121939827日,裝在德國(guó)亨克爾公司的He178飛機(jī)上成功首飛。這是世界上第一架試飛成功的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

2)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

早期的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)尚處于試驗(yàn)階段,在第二次世界大戰(zhàn)中并沒(méi)有發(fā)揮多大的作用,到戰(zhàn)后特別是20世紀(jì)50年代才獲得迅速的發(fā)展。戰(zhàn)后第一批裝備部隊(duì)使用的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)是1944年美國(guó)制造的F801946年蘇聯(lián)制造的米格—9,飛機(jī)為平直梯形機(jī)翼,發(fā)動(dòng)機(jī)推力800~900daN,飛行速度900km/h左右。飛機(jī)速度達(dá)到聲速以后,為了突破“聲障”,在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝了加力燃燒室,它可以在短時(shí)間內(nèi)加幅度提高推力。以后,戰(zhàn)斗機(jī)繼續(xù)向高空高速發(fā)展。1958年美國(guó)推出F104戰(zhàn)斗機(jī),最大飛行馬赫數(shù)2.2,使用升限17.68km。動(dòng)力為J79單轉(zhuǎn)子加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),最大推力7020daN,推重比4.63。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在軍用戰(zhàn)斗機(jī)上廣泛應(yīng)用的同時(shí),也被其他機(jī)種所選用。首先是轟炸機(jī),隨后是運(yùn)輸機(jī)、旅客機(jī)和偵察機(jī)。

 

如果把20世紀(jì)40~50年代研制的單軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)算為第一代,那么50~60年代研制的加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為第二代,其循環(huán)和性能參數(shù)水平為:渦輪前燃?xì)鉁囟?/span>950~1100℃,推重比4.5~5.5,不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h),加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。

 

3)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)致命的缺點(diǎn),就是耗油率太高,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)既能克服這個(gè)缺點(diǎn)又保有它原有的優(yōu)點(diǎn)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于低壓壓氣機(jī)變成葉片的風(fēng)扇,風(fēng)扇出口氣流分成兩股通過(guò)內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形涵道流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)。內(nèi)涵與前述渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的情況相同,外涵空氣經(jīng)過(guò)涵道直接排出,或在低壓渦輪后與主流混合后經(jīng)噴管排出,或加力補(bǔ)燃后排出。在核心相同的條件下,由于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總空氣流量大,排氣速度低,所以與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比,推力大,推進(jìn)效率高,耗油率低。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上仍屬于直接反作用式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生于20世紀(jì)50年代,首先用于民用飛機(jī),隨后擴(kuò)展到軍用飛機(jī)。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)渦扇化熱潮,70~80年代發(fā)展提高、廣泛應(yīng)用,90年代以后高度發(fā)展,取代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)成為軍民用飛機(jī)的主動(dòng)力和航空推進(jìn)技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。

 

世界上第一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是德國(guó)戴姆勒-奔馳研制的DB670(109-007),于19434月在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上達(dá)到840千克推力,但因技術(shù)困難及戰(zhàn)爭(zhēng)原因沒(méi)能獲得進(jìn)一步發(fā)展。世界上第一種批量生產(chǎn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是1959年定型的英國(guó)康維,推力為5730daN,用于VC-10DC-8和波音707客機(jī)。涵道比有0.30.6兩種,耗油率比同時(shí)期的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)低10%~20%。1960年,美國(guó)在JT3C渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改型研制成功JT3D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),推力超過(guò)7700daN,涵道比1.4,用于波音707DC-8客機(jī)以及軍用運(yùn)輸機(jī)。

 

之后,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)向低涵道比的軍用加力發(fā)動(dòng)機(jī)和高涵道比的民用發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)方向發(fā)展。在低涵道比軍用加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方面,20世紀(jì)60年代,英、美在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202TF30,分別用于英國(guó)購(gòu)買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機(jī)和美國(guó)的F111(后又用于F-14戰(zhàn)斗機(jī))。它們的推重比與同時(shí)期的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)差不多,但中間耗油率低,使飛機(jī)航程大大增加。在70~80年代,各國(guó)研制出推重比8一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),如美國(guó)的F100、F404、F110,西歐三國(guó)的RB199,前蘇聯(lián)的RD-33AL-31F。它們裝備目前在一線的第三戰(zhàn)斗機(jī),如F-15、F-16、F-18"狂風(fēng)"、米格-29和蘇-27

 

目前,推重比10一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已研制成功,即將投入服役。它們包括美國(guó)的F-22/F119、西歐的EFA2000/EJ200和法國(guó)的"陣風(fēng)"/M88。其中,F-22/F119具有第四代戰(zhàn)斗機(jī)代表性特征--超聲速巡航、短距起落、超機(jī)動(dòng)性和隱身能力。超聲速垂直起飛短距著陸的JSF動(dòng)力裝置F135發(fā)動(dòng)機(jī)。目前美國(guó)甚至在研制新一代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。


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20世紀(jì)70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比(4~6)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用以來(lái),開創(chuàng)了大型寬體客機(jī)的新時(shí)代。后來(lái),又發(fā)展出推力小于20000daN的不同推力級(jí)的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),廣泛用于各種干線和支線客機(jī)。10000~15000daN推力級(jí)的CFM56系列已生產(chǎn)13000多臺(tái),并創(chuàng)造了機(jī)上壽命超過(guò)30000h的記錄。民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)依然投入使用以來(lái),已使巡航耗油率降低一半,噪聲下降20dB, CO、UHC、NOX分別減少70%、90%、45%。90年代中期裝備波音777投入使用的第二代高涵道比(6~9)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力超過(guò)35000daN。其中,通用電氣公司GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)在近期更是創(chuàng)造了近61噸推力的世界紀(jì)錄。目前,而普-惠公司推出的新一代齒輪渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),在實(shí)際飛行中也表現(xiàn)出了油耗下降超過(guò)16%的驚人表現(xiàn)。

 

三、渦輪

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