(3)--航空动力百年回顾航空概论.pdf

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1、1 引言 风筝在中国已有两千余年的历史，中世纪时传到了西 方。后来，西方国家利用风筝 飞行 的原理发明 了滑翔机。1 9 0 3年 1 2月 1 7日，美国的莱特兄弟发明了“飞行者”1号实 验飞行器飞机。风筝、滑翔机和飞机都是重于空气的飞 行器，必须借助于空气的相对运动才能升空。风筝靠拉线产 生的风力飞上天，飞机则必须靠强大的动力装置的牵引才能 飞行。动力装置或发动机对于飞机实在太重要 了。正如在 世界上颇负盛名的前苏联空气动力学家弗 谢 佩什诺夫所 说：“飞机发展过程中的每一新成就首先是由新型发动机决 定的，发动机是飞行必不可少的动力源。”世界百年航空史证 明，正是动力装置的发展才促进了飞机

2、的发展。2 活塞螺旋桨发动机 2 1 竹靖蜒、螺旋桨与蒸汽机 早在莱特兄弟制造的第一架飞机问世前 5 0年，被同时 代人尊为航空之 父的英 国的乔 治 凯 利爵士(G C a y l e y，1 7 7 3-1 8 5 7)就说过：“我的发明(指飞机)惟一无法解决的就 是动力问题。”凯利是位知识渊博、作风严谨、基础理论功底 深厚的科学家。在飞行理论研究和实验上多有建树。尤其 令人佩服的是他对中国古老的玩具，欧洲人称为“中国陀螺”的竹蜻蜓非常了解，如图 1所示，他从青年时代到 8 0多岁对 此兴趣始终不减。他用鲸鱼骨这种很轻的希罕之物专门做 了一副竹蜻蜓，曾经将它升高到 2 7 m的高空，从而摸

3、清了它 的工作原理，最终制造出了螺旋桨。螺旋桨与飞机机翼产生 升力的原理相同。此后，直到喷气发动机诞生，螺旋桨推进 器一直是飞机动力装置不可缺少的组成部分，包括在莱特兄 弟发明的第一架飞机以前的实验性飞机。1 5 0年前，世界上只有蒸汽机，它曾推动了第一次工业 革命。凯利当时正是看出了蒸汽机难以承担推动螺旋桨完 成飞机飞行的重任才说出前边的话。为此，凯利曾研究过火 药发动机、热空气发动机，甚至想把电动机搬到飞机上。不 过在 1 9世纪下半叶，曾有人用蒸汽机驱动飞机，如 1 8 4 5 1 8 4 8年英国的汉森与斯特林费罗、1 8 7 4年 5 月英 国的莫伊、1 8 8 4年 7月俄罗斯的莫

4、扎伊斯基、1 8 8 9 1 8 9 2年法国的阿 代尔和 1 8 9 4年美国的马克辛，但均以失败告终。尤其是马 克辛研制的重达 3 t 的巨型飞机是在众目睽睽之下的公园里 试飞失败的，事后有人挖苦这位大发明家：“他的成就在于他 那笨拙的蒸汽机飞机告诉人们不要再去飞行了。”2 2“飞行者”1 号的发动机 凯利非常清楚 地认识到，他的实验 飞行 器 若 要 升 空 飞 行，必须使机翼产生 的升力能升起 自身 质量(包括驾驶员的 体重)。因此，要求 其动力装置能为牵 引飞行 的螺旋桨提 供足够的功率，也就 是要求功质 比不得 小于 0 1 2 5 k w 1 。1 8 6 2年，法 国 人罗沙提

5、 出四冲程 等容燃烧 的内燃机 原 理：由进 气、压 缩 和燃烧膨胀作功及 排气 四个过程组成 图 1 能飞的竹靖蜒 一个循环。1 8 8 3年，德国人戴姆勒研制 出实用型四冲程汽 油内燃机，典型的汽油内燃机如图 2所示。它由汽缸、活塞 和曲轴连杆三部分组成。它将燃烧室和汽缸合为一体，故称 内燃机。在燃烧前，空气已经经过压缩，压 比达 5 9，汽油 燃烧温度达 2 0 0 0 C，故燃烧效率很高。它无需给水、冷凝等 装置。因此它质量轻、尺寸小、功率大，还可多缸运行，故整 机功率大。汽油内燃机受到苦苦寻求新发动机的飞行家的 青睐，成了当时飞机的首选动力装置。1 9 0 1年 1 0月，奥地 利的

6、克雷斯、1 9 0 3 年 9月德国的亚托以及 1 9 0 3年 1 0月美国 的兰利和曼利都采用了汽油内燃机作为飞机动力装置。不 过它还有许多技术问题，例如冷却、密封、润滑以及结构小型 化等问题需要解决。莱特兄弟在开始制造“飞行者”1 号时，根据技术要求 曾 季鹤鸣：航空动力百年 回顾(一)5 7 向几家专业制造厂订购飞机发 动机。在无人接受订单的情况 下决定自已研制。莱特兄弟 自 行车公司的技师查尔斯 泰勒(C h a r l e s E Ta y l o r)承 担 了此项 任务。泰勒以自行车设备车间 的内燃机为原型机，设计 了一 台四缸 串列式汽油活塞发 动 机。开始试车并不顺利，只能

7、 短期工作且达不到设计功率。经仔细查找，泰勒发现毛病出 在汽缸的润滑上。排除故障后 改进了设计，发动机工作性能 超 过 原 定 指 标，能 以 9 l【w(1 2 h p)的功率稳定工作，短时 间 内功 率 可达 1 2 k W(1 6 h p)。在结构上，采取减重措施，发动 辫 量 燃烧-膨胀 尚 耋 肇 鹾 活塞 j 连杆 图 2 往复活塞式发动机 的气缸 组件 机总质量仅为 7 5 k g，小于最低质量设计要求，发动机的功质 比达到了0 1 6 0 2 1。这个数据不但远远高于当时的蒸汽 机的，而且在活塞发动机中也是高水平的，如封三图所示。1 9 0 3年 1 2月 1 7日是一个载入史

8、册的 日子，安装有这 台发动机的“飞行者”1号实验飞行器完成了人类历史上首 次持续且有动力、可操纵的载人飞行器升空飞行。人类在空 中飞翔的梦想终成现实。威伯尔 莱特(w Wr i g h t)和奥维尔 莱特(0 Wr i g h t)成为“人类历史上最伟大的名字”。“飞行者”1号采用链条传动，一台发动机带动两副螺旋 桨(左、右对旋)的后置推进方案。螺旋桨直径为 2 5 9 m，桨 距较大，效率为 0 6 6。这种安排的好处是可获得较大的拉 力，还可以抵消螺旋桨产生的陀螺力矩。虽然传动效率低，但较富裕的发动机功率克服了传动效率的不足，同时也允许 飞机采用较大的机翼面积以获得更大的升力，确保全机(

9、包 括驾驶员在 内)3 6 0 k g的总质量顺 利升空。此后，泰勒还以该发动机为基础对“飞行者”2号和 3号 的发动机做了改进，使功质 比提高了三分之一，这是很了不 起的成就。然而，泰勒其人其事却鲜为人知。这位世界上第 1 架飞机发动机 的杰出制造者，一生淡泊名利，活到近 9 0 岁，于 1 9 5 6年悄然辞世。2 3 塞甘兄 弟的旋 缸式活塞发动机 每逢单数年份，法国巴黎都举行盛大的航空博览会。这 种全球性的盛会始于 1 9 0 9年。那年 8月 2 2日，首届航博会 隆重开幕。会上爆 出的大新 闻是法国的布莱里奥驾驶着他 的单翼机飞出了9 7 k m h的飞机飞行速度的世界纪录，远远

10、领先于其他表演飞机。令人惊奇 的不是他驾驶的飞机，而 是飞机发动机。它是法国塞甘兄弟发明的“土地神”汽油发 动机，是一台五缸成星形排列 的 3 7 k W 旋缸式活塞发动机。其最大特点是曲轴不动，汽缸随螺旋桨旋转，功质 比高达 0 6 9。不要说当时，就是在一战期间，这一数据都是其他发 动机未能达到的，如封三图所示。普通的活塞发动机因为燃 烧时压力温度很高，造成汽缸壁温度很高。当汽油喷入后，活塞未到下死点即发生 自燃，出现“敲缸”现象，使零件寿命 降低，润滑性能变坏。因此，汽缸必须进行冷却，其冷却方式 通常采用液冷，这就要求汽油活塞发动机必须增加水泵、水 箱、冷却器和管路等，总质量也因此增加许

11、多。而塞甘兄弟 的旋缸发动机由于汽缸与螺旋桨一起转动，只要一开车，汽 缸就能得到较好的冷却，因此省去 了冷却系统，同时转动中 的汽缸还起到飞轮平衡的作用。附带的好处是暖机快，起动 快。非常适合战斗机机动灵活的要求。“土地神”系列发动 机有 5，7，9缸和双排 1 4缸，功率为 3 7 1 2 0 k W。“土地神”及其衍生的其他旋缸式发动机成了其后爆发 的第一次世界 大战中战斗机的主要发动机。其中，英 国索普威思公司的“骆驼”战斗机就安装了旋缸式发动机。该机是一战中的名 机。1 9 1 7年 8月，德国福克公司推出的“三翼机”安装的也 是旋缸式发动机。旋缸式发动机的最大缺点是耗油率高，寿命短，

12、而且功 率限制在 2 0 0 l【W 以内。同时，由于汽缸质量大，转动时引起 的陀螺效应使得飞机操纵性较差，例如“骆驼”战斗机左转很 慢，右转却极快，新驾驶员很难适应，一战结束后不久，即被 气冷式星形发动机取代。2 4 发展成 熟的活塞发动机 一战结束时，单台发动机的功率为 1 0 02 0 0 k w。而在 一战后的3 0年间，活塞发动机技术 日趋成熟，主要表现如 下：(1)汽缸数增加，功率增大 加大发动机单机功率 的最简单办法是增加汽缸数。汽 缸有两种基本排列方案：一是星形布局，5，7，9缸排成一排 或两排、三排，最多四排 2 8缸；二是 V形布局，双列 6，8，1 2 缸，还有四列成 x

13、形，一战后 由原来的两种基本排列最终发 展成十种排列，见表 1。(2)升功率提高 主要办法是在汽油中加入四乙铅等添加剂，提高辛烷 值，即抗爆性。在二战时，辛烷值 已达 1 1 5 1 4 5，使燃烧时 的压比由 3 左右提高到 8 9，从而使热效率提高到 2 5 3 0，升功率成倍提高；另一办法是加力，即向汽缸内喷水和 甲醇，短期内可使功率增加三分之一。(3)采用废气增压器 随着飞机飞行高度的增加，活塞发动机 的功率急剧下 降，从而限制 了飞机的飞行高度。采用引出发动机的废气(其温度达 6 0 0 7 0 0 C)驱动一台涡轮，再 由涡轮驱动一台 离心压气机。经压气机增压的空气再输入汽缸，使发

14、动机的 高空功率大大提高。飞机因发动机采用了增压技术，其飞行 高度由5 0 0 0 m左右很快达到 1 0 0 0 0 m，甚至达到 1 5 0 0 0 m。(4)变距螺旋桨 螺旋桨由木制改成金属制品，强度大为增加。再采用桨 距(桨叶角)可调的设计，既改善 了螺旋桨与发动机的匹配，又满足了飞机起飞着陆时对拉力或(或推力)的需求，甚至可 获得负拉力(或推力)。(5)改进液冷发动机 采用专用的乙二醇或乙二醇与水的混合液作为冷却剂，同时精心设计航空发动机，使其结构 紧凑，质量轻，功质 比 大。二战期间著名的主力战斗机的发动机，如英 国的梅林(Me r l i n)、德国的D B一6 0 1 和美国的

15、 V一1 7 1 0发动机都是液 冷发动机。尤其是梅林发动机，曾装备“喷火”式、“泄火”式 维普资讯 http:/ 5 8 航 空 发 动 机 2 0 0 3年第 2 9卷第 1 期 等战斗机，其速度达 7 9 5 k m h，是二战中英国生产数量最多 的也是最优秀的战斗机。本来速度仅为 6 1 4 k m h的平庸战 斗机换上梅林发动机后速度达到 7 8 8 k m h，E I II _-战中著名的 装有五叶螺旋桨的 P 5 1“野马”式战斗机。该战斗机是二战 中综合性能极佳 的名机，美国生产量达 1 5 6 8 6架。德国的 D B一6 0 1 发动机配装 的 Me 1 0 9战斗机也是二

16、战中的名机。在 1 9 3 9年，该机创造了 7 4 7 k r I 1 h的飞机飞行速度的世界纪 录。液冷发动机因其迎面阻力小，功质比大而在战斗机 中大 受欢 迎。(6)气冷式发动机发展成为主流动力 气冷式发动机最先改进设计了减阻环来减小外阻，后来 又改进整流罩来改善冷却。因此发展成大功率发动机，并且 成为高性能战斗机、轰炸机和运输机的主力发动机。其中美 国的“双黄蜂”即 R 2 8 0 0发动机最为著名。该发动机为双排 1 8缸，功率达 2 0 0 8 k W。装备 R 2 8 0 0发动机的 P 4 7“雷电”式 战斗机的速度高达 7 6 2 k m h。P 4 7 J 战斗机的速度达

17、8 0 5 k m h，在 1 0 0 0 m高度上其速度达到8 1 6 k m h，这已是活塞发动机 的飞行极 限。经过 4 0年的发展，活塞发动机的主要性能为：单位升功 率由3 5提高到 5 0-6 0；巡航耗油率由0 3 4-0 3 5降低到 0 1 9 0 2 0；单机功率由 3 7 k W 提高到 2 0 0 0-2 8 0 0 k W；功质 比由 0 1 6提高到 2 5 0左右。二战期间由它配装的飞机超 过 1 0 0 万架，仅美国在 1 9 4 4年就生产了 2 5 6 7 8 9台，其他国 家生产了几十万台，活塞发动机的技术已发展到顶峰。二战 结束后，由于涡喷、涡扇、涡桨和涡

18、轴发动机的兴起，活塞发 动机逐渐被取代。但是，由于它具有效率高、耗油率低、结构 简单等优点，目前仍在 2 5座小型专用机和无人驾驶侦察 机上采用，而且技术也在继续发展。2 0世纪 5 0年代，德 国人汪克尔发明了旋转活塞(又称 三角转子)发动机。它的特点是活塞呈三角形，与主轴之间 用行星齿轮啮合。当转子在特殊的汽缸型面内转动时，完成 通常活塞发动机的进气、压缩和膨胀作功、排气四冲程。这 种发动机一直在小型飞机和汽车上应用。被看作是活塞发 动机的后继发展。2 5 中国的活塞发动机 1 9 0 9年 9月 2 1日，冯如研制的“冯如”1号飞机飞行成 功。这是中国人 自己设计的第 1 架飞机，而它的

19、发动机也是 中国人自己研制的第 1台航空发动机。该发动机为液冷式 活塞发动机，功率为 2 2 4 k W。此后，直到新中国成立，除了 抗战期间贵州大定航空发动机厂生产了 3 9台航空发动机 外，中国的航空发动机事业基本上是一片空白。新中国成立后，1 9 5 4年，在株洲生产出苏式 M 一1 1 5 缸星形 1 2 0 k W 气冷式发动机。1 9 6 3年，哈尔滨试制出大 型双排 1 4缸星形气冷式 HS 7(仿苏 A I R 8 2 B)发动机，其功率 达到 1 2 5 0 l W，产量达 1 5 0 0多台。在此基础上，自行设计 了 HS 8发动机(封三图)。该机功率达 1 3 6 0 k

20、 W，具有一机四用 的特点，可以同时满足 C一4 6(美制运输机)、图 2(苏制轰炸 机)、伊尔 1 2和伊尔 1 4(苏制运输机)四种飞机之急需。特 别是采用两级进气增压技术，解决了支援西藏的空运问题，使伊尔 1 4的飞行高度由 6 5 0 0 m增至 9 0 6 0 m。伊尔 1 4是当 时惟一能飞进拉萨机场的运输机。H S 8发动机前后共生产 了 1 8 0 0余台。(待 续)(责任编辑李华文)表 1 典型活塞发动机汽缸数及排列方式 维普资讯 http:/ 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All r

21、ights reserved.http:/3 2003年第29卷第2期航空发动机55 f ii二二苟且卢正j由1:A Century ofAim?aft Power Plant in Retrospect(2)i 季鹤鸣(沈阳发动机设计研究所，ttDI(15):;He:l1ing(Shenyang A:.3 燃气涡轮陨i，比动机20世纪40年代初(二战全面爆发前)，活塞螺旋桨发动机装备的飞机飞行速度为700-750kmlh，飞行高度为10-15km，两者均达到了极限值。要想飞得更快更高，发动机必须另觅他途。于是燃气涡轮喷气发动机便应运而生。3.1 燃气涡轮喷气发动机的诞生早在1100多年前，中

22、国民间就流传有走马灯。它利用蜡烛燃烧产生的热气推动纸扎的叶轮带动扎在轴上的纸人、纸马旋转。这就是燃气涡轮的最早雏形。而现代燃气涡轮喷气发动机却诞生在欧洲。二战爆发前i分处敌对国的两位青年同一时期独立完成了同一项发明一一燃气涡轮喷气发动机，而且他们研制的发动机的主要性能十分相近。这两位青年就是英国的弗惠特尔(Fran，ckWhittle)和德国的汉斯冯欧海菌(H岱VonOhain)。惠特尔在飞行专科学校学习时预见到活塞螺旋桨发动机的局限性，提出了涡轮喷气推进的原理。1930年1月，他为此申请了专利。后来他就读剑桥大学时再次提出了燃气涡轮发动机研制的方案报告，但未得到军方和有关部门的支持。直到19

23、36年3月，才在一家银行的资助下成立了只有1万英磅资金的喷气动力公司，开始着手研制燃气涡轮发动机。该燃气涡轮喷气发动机的原理如图1所示。他设计的第一台定名为Wu的试验机如图2所示。这是一台由直径为480mm、双面进气的离心式压气机和单管燃烧室及直径为420mm的轴流润轮组成的涡轮喷气发动机。设计飞行速度为804.5阳llh，设计推力为8.8卧1/01937年4月12日首次试车，标志着现代燃气涡轮喷气发动机的诞生。但是第1，2台发动机试车均未成功。到了1939年10月，第3台试验机在17750r/min下运转了20min，推力达到5.3kNo这时，英国空军才与惠特尔的喷气动力公司签订了试飞用发动

24、机的合同，该发动机定名为W10又经过近2年的艰苦努力，1941年5月15日，W1发动机的改进型W1日发动机终于装在E28/39飞机上首次飞行成功。此时距离特尔申请专利之日已达11年之久。燃烧室喷汹燃烧图1惠特尔发动机工作原理图2世界上第1台涡轮喷气发动机的试验机Wu欧海茵于1933年在哥庭根大学读书时开始探索燃气涡轮发动机，1934年着手初步设计。他的基本方案与惠特尔的大同小异，设计飞行速度也是804.5kmlh，推力等级也大体相同。在结构方案上，他的压气机也是双面离心式的，燃烧室是环形的，涡轮则是径流(或向心)式的。欧海茵大学毕业后在老师波尔(WPohl)教授的荐引下与亨克尔飞机公司取得联系

25、，在经过喷气式飞机的方案论证后，双方于1936年4月15日签订了研制燃气涡轮喷气发动机的合同，发动机代号为Hes1。欧海菌研制方案中的关键是在首台工程试验机上采取了烧氧气的办法，仅用1年多时间即告成功。后经多项试验研究和改进，最终制造出试飞用的发动机H臼301939 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 56 航空发动机2003年第29卷第2期年春，配套飞机He178制造出厂。8月27日，世界上第1架由燃气涡轮发动机H囚犯推进的喷气式飞机He178首飞成功

26、，宣告人类进入了喷气飞行时代。欧海茵仅用了三年多的时间即完成研制新发动机的任务，比惠特尔早1年零9个月投入试飞。遗憾的是，欧海菌研制的H臼3B发动机实物及有关资料在二战中毁于盟军的轰炸中。二战结束后，欧海茵被美国海军收容，后转入美国空军莱特一帕特森空气推进实验室工作，1951年加入美国籍。惠特尔晚年也来到美国，两位老人成了好朋友。1992年2人同获查尔斯德拉佩奖，这项奖被称作工程技术界的诺贝尔奖。4年后惠特尔病故，享年89岁。欧海茵如今仍健在，已是9岁高龄。实际上，惠特尔和欧海芮发rJl践jYI员轨!孩气发动机借鉴丁活塞发动机牛的废气涡轮欢民心增压j坞的试计思想。废气涡轮和离心培丘提(33中的

27、1，5)就是现代涡轮喷气发动机的涡轮和压气机(如图1)的雏型;而气缸(图3中的3)则相当于燃烧室(图1);为了能不断地向涡轮提供60D-700C的燃气来驱动压气机连续工作，设计了燃烧室(图1)。至此，便构成了燃气涡轮喷气发动机。先驱者们正是、汲取了最初的技术经验，研制出燃气涡轮发动机的3个主要部件:压气机、燃烧室和涡轮。自1937年4月12日世界上第1台燃气涡轮喷气发动机诞生以来，又派生出了涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机。4 因3废气涡轮和离心增压器系统1一离心增压器;2一进气管;3一活塞发动机气缸;4一排气管;5一废气涡轮3.2 推进原理从牛顿运动定律得知:力是

28、物体质量与加速度的乘积。加速度可用物体的末速度与初速度之差来表征。如果将质量与速度的乘积定义为动量，力就是单位时间内的动量差，推力就是动量的变化率。发动机的排气速度与进气速度相差愈大，通过发动机的质量流量愈大，则推力也愈大。惠特尔和欧海菌设计的燃气涡轮发动机的流量达二十多千克每秒，排气速度达几百米每秒，因此能产生几千牛的推力。3.3 燃烧技术惠特尔开始研制的时间比欧海茵早4年多，可是装机试飞的时间却晚了1年半。为何前者用了11年而后者仅用了5年?有人认为是由英、德两国政府和军方的重视和支持力度不同造成的。其实，在He1781Hes3B上天前，由于亨克尔公司保密，德国军方并未介入。重要原因是，虽

29、然2人的技术基础相同，但研制思路不同，如2人都遇到了燃烧方面的问题，但采取的对策却不一样。惠特尔在喷气动力公司成立后曾先后设计制造了3台试验机，改动最大的正是燃烧室。惠特尔的发动机燃烧重采取的是用流式结构，流路拐2个180。到涡轮，调试戒严?非常灾!攻海茵的第1台试验机采用户环形黯治室，比较遣子离心式;丘气缸L和径向涡轮而且烧氧气。仅用1年时间I!日生盖矶在高转速下长期运转，达到了预期3持。1.忌管推力才2.65kN，但却由此建立了信誉，并将赢得的时间专门用于燃烧试验，采取分解技术关键、各个击破的办法，较快地研制出试飞用发动机。压气机出口速度，也就是燃烧室的进口速度高达100-180m/s，而

30、煤油空气预由火焰燃烧速度大约1m/s。要在这样的风速下点火燃烧谈何容易;在瞬间(0.005:0.015s)将燃料的化学能转变成热能也非轻易之举;要在几倍空气-燃料比m围内稳定燃烧，并且使其出口温度达到涡轮能接受的温度，也很难解决。由于燃烧室部件研制没有任何可以借鉴的技术资料而又存在着上述三大技术难题，惠特尔吃尽苦头，花去了许多时间却久攻不克。欧海菌高明之处就在于他预见到了这)点，采用氢气作燃料。氢气在空气中有极宽的空-燃比而且焰烽短，同时避开了燃油蒸发雾化问题，且氢气燃烧速度远远高于煤油空气。因此，欧海茵先于惠特尔解决了整机长期稳定工作的问题。欧海茵等先行者们在燃烧室组织燃烧方面下了许多功夫，

31、经历了4个发展阶段(图的最终予以解决。(1)采用最简单的形式-一一直壁管道，将压气机与涡轮连接，但是总压损失过大。在压气机出口流速为150m/s时，总压损失相当于压升的1140(2)采用扩压器，将流速减小到30-50m/s，但是总臣损失仍然较大。(3)在采用扩压器的同时，设置背风和回流旋涡区。但是，空-燃比范围窄，不能满足涡轮进口温场的要求。(4)采用双层结构，内层为火焰筒。来流分三部分进入:头部主燃区占8%-10%;中部助燃区占10%-15%;后部掺混区占75%-80%。先驱者们为了确定和掌握三股分流的合适比例付出了巨大的努力。事隔几十年，后来的继承者们仍受益于他们所取得的成果。3.4 技术

32、发展与应用惠特尔和欧海菌发明的燃气涡轮发动机以及由其装备的飞机都只是工程试验机，并未投入实用。在二战期间，德国曾发展了多种型号的涡轮喷气发动机，其中以umo004和BMW003发动机最为著名，尤其是前者，它是世界上首台装轴流式压气机的发动机，也是第1种大批量生产的发动机，生产量达6000余台。这两型发动机在二战结束时都被苏联 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/季鹤鸣:航空动力百年回顾(二)57 燃油空气一-空气-=:1、三1、哨燃|空气一羊.L-F、飞飞-

33、气燃nfl(3).-斗I 空气(/lJE-JYfu之严立一今民，4宵规必说室演变的4个阶段(4)缴获，后被分别仿划l称为P.I1.O和P.Il.20发动机。战后法国则借助BMW003发动机发展出阿塔系列涡喷发动机。Jumo004发动机装备的双发歼击机Me262于1942年7月18日试飞成功，1944年正式服役，在其后的9个月里，击蔼盟军飞机613架，而自己仅损失200架(包括非战斗损失)，是二战末期对盟军威胁最大的战斗机，也证明了装有涡轮喷气发动机的飞机的优异性能。当时的英国政府将W1B发动机装于E28/39飞机上试飞后不久，即让RR公司接管了喷气动力公司。1943年在W2发动机基础上推出了惠

34、兰德发动机，装子双发流星歼击机上，1944年服役，主要用于拦截德国的飞航式导弹，作战区域仅限于英吉利海峡。值此在整个二战期间没有发生喷气式飞机的交手战。美国早在20世纪20年代就有人研究喷气发动机，但是屡遭失败。当时的NACA(美国航空咨询委员会)认为简单反作用式喷气发动机在现时所能预料到的飞行速度范围内，无论从哪方面都不能同活塞式发动机相比拟。因此作出了错误决策。在得到德、英两国涡轮喷气发动机已实际应用的确切情报后才起步，并派出了规格很高的航空考察团去英国参观，并与英国签订了仿制合同，取得了W2B发动机的设计图纸及W1发动机的样机，由GE公司仿制出美国第1个型号J31及其改进型J33发动机，

35、后来又发展研制出J35轴流式发动机，战后借用德国技术进一步研制出J47发动机。J33，J35和J47发动机分别装于F80，F84,F86战斗机上，并参加了朝鲜战争。英国在惠兰德发动机装于流星歼击机上后又发展了后继发动机德温特及其放大型尼恩(Nene)发动机。在二战后将这两型发动机卖给了苏联，苏联仿制的型号为P，1J;500和P且fl5，前者装于雅克23教练机和拉15靶机上，后者装于著名的米格15战斗机和伊尔28(双发)前线轰炸机上，其中米格15战斗机于1947年12月30日首飞，第二年即服役。由于发动机性能优良，推力大，操纵性好，加上飞机气动性能好，使米格15成了优秀的亚声速战斗机，在朝鲜战争

36、中成了F86战斗机的劲敌。同时英国也把尼恩发动机的专利卖给了美国的PW公司，PW公司仿制后的型号为J42，装于海军3 用的凹F战斗机上，也参加了朝鲜战争。朝鲜战争中的空战是人类历史上第1次大规模的喷气式飞机的交手战。交战双方的飞机动力装置都是第1代燃气涡轮喷气发动机，以P且45和J47发动机为代表，其涡轮输出功率高达10000kW，这比二战中作为主力战斗机的活塞发动机的功率大约高出一个量级，而尺寸和质量并未增加，从而充分显示出燃气涡轮发动机所具有的尺寸小、质量轻、功率大的突出优点。因此，P，且45和J47发动机装备的米格15和F86战斗机的飞行速度分别达到了1050kmlh和1070km/h，

37、压比为4，55.5，涡轮前温度为1050-1100K。这是活塞式飞机望尘莫及的。当飞机的飞行速度接近声速时，飞机出现激波，阻力急剧增加，这就是所谓的音障。1947年美国的X-1试验机采用直机翼首次越过音障。采用后掠翼和面积律有利于飞机跨过声速，但最为关键的仍是发动机性能和技术的改进。燃气涡轮喷气发动机历经30多年的发展，于20世纪70年代达到了全盛时期。这期间，发动机整机结构相继出现了重大改进。(1)增设加力燃烧室利用涡轮后的燃气中的余氧再次燃烧，提高发动机排气速度。因为排气速度与排气温度的平方根成正比。如果原来温度为900K，再次燃烧(即加力)后的温度可达1800K，其推力增加41%。这一非

38、常可观的推力增加量正好克服了音障时的阻力增加量。在增设加力燃烧室的同时，采用了可调喷管，以保证开加力时主发动机的状态不变。(2)采用多级轴流式压气机惠特尔和欧海茵发明的燃气涡轮发动机均采用离心式压气机，而德国在实战用发动机(如Jumo004、BMW003和BMW018等)上却首先采用了多级轴流式压气机。英国1943年开始研制多级轴流式压气机。第1个产品是萨普菲尔7发动机(后被美国引进，型号为J65)。在亚声速条件下，轴流式压气机与离心式压气机性能相近。但在超声速时，离心式压气机表现出两大显著缺点:一是压比超过4.0时，效率急剧下降;二是迎风面大，其迎面流量只及外径相同的多 1994-2007

39、China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 58 航空发动机2003年第29卷第2期级轴流式压气机的1I3112o可见，离心式压气机不适于高速飞行。例如苏联装配米格17飞机的BKJ发动机是一台优秀的离心式发动机，但即使改进成带加力的结构，也只能在俯冲时达到M=1.14。采用多级轴流式压气机可提高发动机总增压比，从而提高其单位推力，但是，伴随而来的是稳定工作裕度减小，造成喘振。为此，又采取了以下主要技术措施:a.进气道截面可调一萨普菲尔7发动机最早采用这种技术。在低转速时关小进气道面

40、积，高转速时全部打开;b.进口导叶可调一在压气机进口安装1排可动静子叶片，通过曲柄连杆机构使该静子叶片绕枢轴线转动，改非主气气攻角，如埃汶(Avon)发动机oC.中间级放气一在多级轴fLm气机/%-级机._J目周开排於气孔，用j两制改，严;或放气活门控制，低转速时打开，高转速aj王妃，如p，叮:9B.QWP6发动机。d.静子叶片可调一在低转速时，改变压气机前几级静子叶片的进气攻角，如J79发动机。(3)由单轴发展到双轴或三轴发动机早期燃气涡轮发动机都是单转子结构，从20世纪50年代开始研制的发动机绝大多数采用了双轴甚至是主轴结构。这种复杂结构的设计目的也是为了防止压气机瑞振。燃气涡轮喷气发动机

41、不仅装备了各种战斗机、轰炸机和民航客机，还应用在特种飞机和导弹上，使飞行速度达到2倍甚至3倍声速。美国SR71侦察机的J58发动机和苏联米格25战斗机的P31发动机都是涡轮喷气发动机，飞行速度达到3400 3600km衔，马赫数达2.7-3.0，已经进入了热障。涡喷发动机的推重比已达6.5-7.0，中间状态的耗油率达0.90 0.95kg/daN.h，加力状态的耗油率则为1.82.0kg/daN.ho奥林帕斯593是一台典型的加力式双转子轴流式涡喷发动机(封三下图)，推力高达16900-17380daN,装备了协和号超声速民航机和火神轰炸机等。3.5 中国的燃气涡轮喷气发动机1946年，中国初

42、次接触现代燃气轮机，当时花了5万英镑与美、苏等国同时从英国得到了尼恩发动机的图纸，但时局却没有给予中国人抓住喷气技分的机遇。中华人民共和国成立后京久，从苏联娟和P吨化改进型即BK一1发动机制生产线，生产出月1国第1台?i轮归-气发动机。20世纪50坦代末又仿制生产出ti:超声速轴流式涡喷发动机WP6，此尼相结纠刨出2倍声速的WP7和WP13发动机。中国著名专家吴仲华教授和荣科教授分别在叶片机三元流设计和空心铸造叶片逻费等方面作出了杰出贡献。中国自行设计的第1台涡喷发动机是在老-辈专家吴大观、虞光裕等领导下研制出的喷发1A发动机(封三中图)。这是一台推力为1570daN的小型离心式发动机，用于中

43、国自行设计的歼教1飞机，1958年7月首飞成功，但由于国家计划变更未投入批生产。20世纪80年代以后，中国的航空发动机技术飞速发展。2002年5月20日，中国自行设计研制的具有完全自主知识产权、技术先进、工作可靠的昆仑涡轮喷气发动机通过了国家设计定型审查(封三上图)0昆仑发动机是中国目前最先进的中等推力涡轮喷气发动机，在性能和寿命方面有较大的发展潜力。它的研制成功表明中国航空发动机的发展上T一个新台阶。(待续)(责任编辑李华文)而斗气IHPTET计划新技术的开发和验证的进展在IHPTEr计划第2阶段的联合涡轮先进燃气发生器(JTA)验证机研究中，XTC56 12验证机采用分流小叶片和高效涡轮叶

44、片等技术，使功质比提高了89%，耗油率降低了29%。在第3阶段，XTC97验证机将采用分流小叶片的风扇、前掠叶片的高压压气机、高温升燃烧室、陶瓷叶片的低压涡轮和特小叶片的高压涡轮等，以实现提高功质比和降低耗油率的最终目标。在IHPT町计划第2阶段的先进涡轮发动机燃气发生器(AT囚G)研究中，XTC76/3验证机采用核心机驱动的风扇、仿11马钦铝叶片、铁基复合材料整体叶环、复合材料火焰筒、柔性火焰儒、变面积涡轮、混合轴承等技术，使推重比提高48%，耗油率降低30%;XTC66/1B核心机验证了高级压比压气机、超冷高效涡轮、刷式密封和混合陶瓷轴承，使推重比提高了37%。在第3阶段，XTC67/1验

45、证机将验证4级高负荷压气机、冲击气膜冷却的浮动壁燃烧室、超冷涡轮叶片，以使推重比提高53%、生产费用降低23%、维护费用降低19%;XT7/1验证机将验证先进压气机、涡流得到控制的扩压器、旋涡燃烧室、CMC空心高压涡轮静子叶片、径向磁力轴承、-体化起动/发电机等技术，以实现推重比提高85%的目标。在IHPTEr计划第2阶段的联合技术验证机发动机(JDE)研究中，XTE66/1验证机验证了球形收敛调节片喷管等技术，使推重比提高了39%，并初步评估了F135发动机的很多技术;XTE76/1验证机验证了高负荷前掠风扇叶片、元导叶对转涡轮、3D低压涡轮、陶号是基复合材料低压涡轮静子叶片、变循环固定面积

46、喷管等，使推重比提高了60%。在第3阶段，XTE77验证机将验证先进的风扇/低压涡轮/加力燃烧室、固定面积流体矢量喷管、灵活的FADEC和气膜密封，以提高F136发动机的工作裕度、安全性和推力增长能力。XTE67验证机将验证前掠转子叶片、线性摩擦焊整体nt盘结构、先进的低压涡轮和加力燃烧室以及流体矢量喷管等，以实现第3阶段的目标，同时提高F135发动机的工作裕皮、安全性和推力增长能力。在IHP四r计划第2阶段的联合-次性涡轮发动机方案(JETEC)研究中，盯凶6验证机采用高通流高速燃烧室、先进轴承、碳碳化硅复合材料涡轮叶片、碳一碳喷管等技术，实现了提高单位推力和降低费用的目标;XTL16验证机

47、单位推力提高76%、成本降低47%。在第3阶段，XTL87验证机将采用前掠带冠风扇、非冷陶瓷高压涡轮，以实现耗油率降低40%、费用降低60%以上的目标;XTL17验证机将采用先进材料和涂层的燃烧室火焰筒、碳一碳化硅喷管等，以实现单位推力提高100%、成本降低60%的目标。(梁春华郑永成)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/航 空 动 力 百 年 回 顾(三)A Century of Aircraft Power Plant in Retrospect(3)季

48、鹤鸣(沈阳发动机设计研究所,沈阳110015)Ji Heming(Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)4 涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机 涡轮螺旋桨发动机简称涡桨发动机,涡轮轴发动机简称涡轴发动机。二者都是航空燃气涡轮发动机家族中的主要成员。前者主要作为军、民用固定翼的中小型运输机和通用飞机的动力装置;后者主要用在直升机上。它们各自带动螺旋桨或旋翼,组成飞行器的推进装置。由于涡桨和涡轴发动机的原理和结构基本相同,所以常合称为桨轴发动机。411 工作原理和特点 图1的上部是涡喷发动机纵剖视图,下部则是涡桨发动机纵剖视

49、图。二者主要部件相同,都有进气道、压气机、燃烧室和涡轮及尾喷管,因此有着相同的燃气发生器。所不同的是涡桨发动机多了一台减速器和螺旋桨。涡桨发动机的推力(或拉力)主要靠螺旋桨产生,喷管排气喷流产生的直接反作用推力仅占发动机总推力的5%10%。涡桨发动机兼具活塞螺桨发动机和涡轮喷气发动机的特点,既具有活塞螺桨发动机耗油率低的长处,又具有涡喷发动机尺寸小、质量轻的优势。图1 涡喷、涡桨发动机对比 图2介绍了自由涡轮式涡轴发动机的工作原理。与涡桨发动机相比,二者都由自由涡轮通过减速器驱动螺旋桨或旋翼;略有差异的是,涡轴发动机的排气速度很低,已经不具备产生推力的能力。由于涡桨和涡轴发动机的工作原理相同,

50、这2种发动机可以互相转换,略微调整发动机工作点和更换减速器即可做到。例如PT6A为涡桨型,PT6B则为涡轴型。图2 涡轴发动机原理图412 历史演变41211 涡桨发动机 在民航机上占有一席之地英国为世界上第一个研制涡桨发动机的国家。1942年,研制出第一个型号 曼巴,后来发展成双发并车的双曼巴,其总功率为2850kW,装在海军舰载反潜侦察机“塘鹅”号上。单台曼巴发动机质量为430kg,功质比达4.0,是当时先进活塞螺桨发动机的2倍;而起飞耗油率仅为01435kg/kWh,约为涡喷发动机的当量功率油耗的一半。这显示出它在中低空中速(650km/h)下的优越性。涡桨发动机在长航时中低空飞行的反潜