高涵道比渦扇發動機發展歷程|陳光談航發73

如前所述,渦輪噴氣發動機在航空發展史中佔據了重要的地位,做出了功不可滅的貢獻,但是它還有嚴重的缺點,即經濟性差(用耗油率表徵,發動機每10N推力在1h內消耗多少公斤燃油稱為耗油率),這是因為渦輪噴氣發動機的推力是用高速噴出的燃氣得到的,噴氣速度越高,推力也就越大。

高速、高溫的燃氣由尾噴口流出發動機,使大量的能量排入大氣,對於發動機而言,顯然是一大筆能量的損失,因此渦輪噴氣發動機的經濟性較差,耗油率較高,一般約為0.80~1.0kg/(daN·h)。

渦輪風扇發動機是一種能產生大的推力而排氣速度較低的發動機,與渦輪噴氣發動機相比,它的經濟性有較大的改善,耗油率約降低1/3。

因此,當第一種實用型的渦輪風扇發動機「康維」在1960年出世后,很快被各種新型旅客機所選用,有些原採用渦輪噴氣發動機作動力的旅客機,也換裝了渦輪風扇發動機。

例如,波音707飛機,原裝有4台「JT3C」渦輪噴氣發動機,在這種形勢下,立即將JT3C的前三級低壓壓氣機的葉片加長改成渦輪風扇發動機「JT3D」,這樣的改型,使發動機推力加大(起飛推力增加50%,巡航推力增加27%),耗油率降低(巡航耗油率降低13%),大大改進了波音707的性能,如表1所示。

表1 波音707改裝渦輪風扇發動機后飛機性能的改進

20世紀60年代研製的旅客機大多都採用了這種低涵道比(1.5~2.5)的渦輪風扇發動機。由於渦輪風扇發動機有內外兩個涵道,發動機的外徑較大,因此,當時認為這種發動機除可用於旅客機外,還可用於轟炸機,但是不適合用於戰鬥機中。

20世紀60年代中期,美國要發展用於70年代,比當時最先進的戰鬥機性能還要好的所謂「空中優勢戰鬥機」,這種戰鬥機強調要具有高的機動性,為此,要求飛機的推力重量比大於1.0,這就要求發動機具有高的推重比(8.0 級)和低的巡航耗油率。

顯然,渦輪噴氣發動機是不能滿足這些要求的,於是利用渦輪風扇發動機耗油率低的特點,採用大量先進技術,發展了直徑較小、推力大(110kN左右)和推重比大(8.0左右)的帶加力燃燒室的渦輪風扇發動機,並裝備在F15和F 16戰鬥機上。F 15於1974年成為美國空軍的裝備投入服役,現在仍然是世界上最先進的戰鬥機之一,且被認為是第3代戰鬥機的代表機型。

表2列出了美國的F 4「鬼怪」式戰鬥機由渦輪噴氣發動機改裝渦輪風扇發動機斯貝 MK202 后性能改善的情況。由表2可以看出,F4戰鬥機採用渦輪風扇發動機后帶來的好處(注意:斯貝 MK202並不是最先進的渦輪風扇發動機,它的推重比僅5.03)。

F4用渦輪風扇發動機改裝后性能的提高,主要是斯貝 MK202渦輪風扇發動機比原裝的J79渦輪噴氣發動機性能有較大改善:推力提高了30%,巡航耗油率降低了20%,推重比由4.7提高至5.03。除此,發動機進口直徑由0.992m減少至0.826m,發動機長度由5.301m減少至5.205m。

表2、F 4換裝斯貝 MK202渦輪風扇發動機后性能改善情況

在此之後,新研製的戰鬥機均採用了帶加力燃燒室的渦輪風扇發動機,例如美國的F/A-18和F-117,歐洲的「狂風」,法國的「幻影」,前蘇聯的米格 29和蘇 27等。

高涵道比渦輪風扇發動機

20世紀60年代初期,美國空軍提出發展戰略遠程大型運輸機的計劃,要求這種飛機能一次運載包括直升機、大型坦克、吉普車、簡易浮橋等在內的軍事裝備航行一萬公里以上。

典型的裝載為:350名全副武裝的士兵,或6架 AH 64武裝直升機,或16輛3/4t載重卡車等。為此,要研製一種機身較寬、起飛總重在350t左右的大型飛機,其載油量約為150t,有效載重約120t。為滿足這種飛機的要求,需研製一種推力約為200kN、耗油率約比小涵道比渦輪風扇發動機低1/3的大型發動機。

顯然,對於這些要求,採取由用於波音707等的小涵道比渦輪風扇發動機改進衍生的辦法是無法滿足的,只能採取發展一種全新的發動機來達到。

於是在廣泛應用各種先進技術的基礎上,採用三高的循環參數:高的涵道比(5~8)、高的總壓比(25左右)和高的渦輪前燃氣溫度(1600~1650K),成功地研製了稱之為「高涵道比渦輪風扇發動機」的新一代發動機:TF-39、JT-9D、CF-6和 RB-211。

由於有了這種高涵道比渦輪風扇發動機,才使美國空軍的戰略遠程運輸機C-5A於1970年裝備部隊投入使用。

當年參加研製這種飛機的投標商有美國的三大著名的飛機製造商:波音、洛克希德和道格拉斯公司,在美國空軍選中洛克希德公司的方案后,這三家公司均以參與投標的方案為基礎,研製出新一代寬體機身(每排安排8~10個座位,以往的旅客機為6座),能乘坐350~450乘客,航程約10000km的大型客機:波音747(1970年投入營運),DC-10(1971年投入營運)和L-1011(1972年投入營運),用於這三型飛機的發動機就是上述的高涵道比渦輪風扇發動機。

可以毫不誇張地講,如果沒有這種新一代的高涵道比渦輪風扇發動機,C 5A、波音747、DC10和L1011等飛機就不可能實現。

隨後,在70年代後期和80年代中期,除對JT9D等發動機進行不斷改進提高性能外,又發展了各種推力檔次的高涵道比渦扇發動機,以滿足新的及各種型號旅客機的要求,並用於對老式客機的改造工程。

表3列出了 DC 8型客機用高涵道比渦輪風扇發動機 CFM56 2取代原用的JT3D小涵道比渦輪風扇發動機后,性能得到改善的情況。由表3可看出高涵道比渦輪風扇發動機的突出特點。

表3 DC 8四發客機用CFM56 2換裝JT3D后性能的改善