现代航空发动机发展综述.doc

第一章 现代航空发动机发展综述 2第一节航空发动机发展的回顾 2一、 涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高 2二、 涡轮风扇发动机的出现，再次改变了航空业的面貌 3三、 宽体、大型、远程飞机要求发展高涵道比涡轮风扇发动机 4四、 九十年代新型旅客机要求发展性能更好的发动机 5五、 新一代战斗机要求发展推重比为10一级的发动机 5六、 小结 6第二节军用航空发动机发展 6一、 军用航空发动机发展 6二、 第三代战斗机及所用发动机 7三、 第四代战斗机及所用发动机 7四、 第五代发动机的发展 8第三节 大涵道比风扇发动机发展 10一、 前言 10二、 飞机的发展 10三、 大涵道比涡扇发动机发展 12第四节 现代涡轮轴发动机发展 13一、 早期涡轮轴发动机的发展 13二、 第三代涡轮轴发动机 13三、 第四代涡轮轴发动机发展 14第一章现代航空发动机发展综述第一节航空发动机发展的回顾二次大战中，各种飞机用的发动机均是活塞式发动机这种发动机工作时只输出功率， 不能直接产生推进飞机前进的推力或拉力，因此需采用空气螺旋桨（简称螺旋桨）作为推进 器，螺旋桨由发动机带转后，在桨叶上产生推进飞机前进的拉力。

这种由活塞式发动机与螺 旋桨组成的飞机动力装置，在二战中得到了极大的发展，发动机最大的功率达到3500kW左 右，发动机的耗汕率低的约为0.28kg/（kW.h）,发动机的功率重量比（功率/重量）达到2马力/ 公斤，成为战斗机、轰炸机、运输机等的动力，在战争中发挥了重大作用但是，它却限制 了飞机飞行速度的提高，其主要原因有二：首先，推进飞机前进的推进功率与飞机的飞行速 度的三次方成正比，当飞行速度提高后，飞机所需的大功率发动机根本无法实现，例如，一 架装有2000马力、重4吨的飞机，要将它的飞行速度由400km/h提高到800km/h吐姑不 考虑螺旋桨在高速飞行时效率大幅度降低的因素，就需将发动机功率提高8倍即需16000 马力，这么大功率的航空活塞式发动机显然是不可能实现的即使能实现，其重量将高达8 吨，比飞机还重另外，当飞机飞行速度增大后，空气作用在桨叶叶尖处的相对速度大大提 高，超出声速很多，损失大增，使桨叶的效率大幅度降低，为了能得到足够的拉力，要求再 增大发动机的功率，使发动机的功率还要再增加很多由此可以看出，采用活塞式发动机作 动力的飞机，飞行速度是受到限制的，不可能接近声速，更不可能达到声速、超过声速，当 时最先进的战斗机飞行速度也只有600-700km/ho一、涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高早在二战中、后期，一些国家己开始研制涡轮喷气发动机，但真正用于飞机上却是在距 今半个世纪前、即四I-年代末期。

涡轮喷气发动机一出现，由于它具有活塞式发动机无法比 拟的优点，很快改变了航空界的面貌，飞机性能得到质的飞跃涡轮喷气发动机与航空活塞式发动机相比，首先，发动机本身既是热机又是推进器，直 接产生推进飞机前进的推力，而不像在活塞式发动机中需用限制飞机飞行速度的螺旋桨作推 进器；其次，作为这二种发动机工质的空气，流进涡轮喷气发动机的流景比流进活塞式发动 机的多几十倍甚至更多（航空活塞式发动机中的空气流量最大者约为lkg/s，而早期、推力较 小的涡轮喷气发动机空气流量也在30—40kg/s以上）；另外，在活塞式发动机中，曲轴每转 二转每个气缸才完成吸气、压缩、汽油一空气混合气燃烧、膨胀作功、排气的一个循环，即 曲轴转二转时只有一个冲程（膨胀作功）是作功的；而在涡轮喷气发动机中，这5个过程是同 时进行的，也即只要发动机一工作，它就不断地作功产生推力由于这些原因，涡轮喷气发 动机作功能力远远大于活塞式发动机，它产生的巨大推力能使战斗机克服高速飞行时的极大 阻力达到较高速度，使飞行速度接近声速、超过声速，达到声速的二倍（M=2）以上所以， 涡轮喷气发动机的出现，才使飞机（战斗机、轰炸机、旅客机等）的飞行速度超过声速成为可 能。

四十年代后期，英、美、苏等国,先后研制成功了第一代实用型涡轮喷气发动机,并发 展了多种以涡轮喷气发动机为动力的实用型喷气式战斗机在五十年代初期的抗美援朝战争 中，中国人民志愿军的空军驾驶米格・15喷气式战斗机与美国侵略军的F-86喷气式战斗机展 开过英勇的空中博斗，这也是世界上首次出现的喷气式战斗机的空战从此以后，新研制的 战斗机均以涡轮喷气发动机为动力，那些在二战中耀武扬威、不可一世的以活塞式发动机为 动力的战斗机纷纷退出了历史舞台涡轮喷气发动机在战斗机的使用中，不断地得到改进、发展，同时采用了各种先进技术, 使发动机性能不断提高，也促使了战斗机的进一步的发展；与此同时，涡轮喷气发动机也用 于旅客机上，1952年世界上第一种喷气式旅客机、英国的“慧星”投入使用，标志着新一 代旅客机的诞生与以航空活塞式发动机为动力的旅客机相比，新一代旅客机具有：载客量 大、飞行速度高、飞行高度大、航程大、采用增压的客舱等特点1958年前后，美国的波音707、苏联的图-104大型喷气式旅客机投入使用，标志着大 型旅客机进入喷气式的时代1968、1969年，巡航速度达到声速二倍的苏联的图・144、英 法的“协和”式超声速旅客机先后投入试飞，表明了涡轮喷气发动机也能使大型旅客机的飞 行速度大大超过声速。

二、涡轮风扇发动机的出现，再次改变了航空业的面貌如前所述，涡轮喷气发动机在航空发展史中占据了重要的地位，作出了功不可火的贡献, 但是它还有严重的缺点，即经济性差（用耗油率表征，发动机每Ikgf推力在1小时内消耗多 少公斤燃汕称为耗汕率），这是因为涡轮喷气发动机的推力是用高速喷出的燃气得到的，喷 气速度越高，推力也就越大高速、高温的燃气由尾喷曰流出发动机，使大量的能量排入大 气，对于发动机而言，显然是一大笔能量的损失，因此涡轮喷气发动机的经济性较差，耗油 率较高，一般约为0.80—0.95kg/kgf.h涡轮风扇发动机是一•种能产生大的推力而排气速度 较低的发动机，与涡轮喷气发动机相比，它的经济性有较大的改善，耗油率约降低1/3,因 此，当第一种涡轮风扇发动机在1960年出世后，很快被各种新型旅客机所选用，有些原采 用涡轮喷气发动机作动力的旅客机，也换装了涡轮风扇发动机例如，波音707飞机，原装 有4台“JT3C”涡轮喷气发动机，在这种形势下，立即将JT3C的前三级低压压气机的叶片 改成两级风扇叶片，变成涡轮风扇发动机——JT3D这样的改型，使发动机推力加大（起飞 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%）,大大改进了波音 707的性能，表1-1中列出它的性能改善情况。

表1-1波音707改装涡轮风扇发动机后飞机性能的改进起飞滑跑距离减小29.4%最大航程增加27.6%;爬升率提高110%最大巡航速度提高8.2%六十年代研制的旅客机大多都采用了这种低涵道比（1.5—2.5）的涡轮风扇发动机由于 涡轮风扇发动机有内、外二个涵道，发动机的外径较大，因此，当时认为这种发动机除可用 于旅客机外，还可用于轰炸机，但是不适合用于战斗机中六十年代中，美国要发展用于七十年代、比当时最先进的战斗机F.4等性能还要好的所 谓“空中优势战斗机”，这种战斗机强调要具有高的机动性，为此，要求飞机的推力/重量比 大于1.0,这就要求发动机具有高的推重比（8.0级）、低的巡航耗油率显然，涡轮喷气发动 机是不能满足这些要求的，于是利用涡轮风扇发动机耗油率低的特点，采用大量先进技术, 发展了直径较小、推力大（HOOOkgf左右）、推重比大（8.0左右）的带加力燃烧室的涡轮风扇发 动机，并先后装备在F.15、F.16战斗机上F.15于1974年成为美国空军的装备投入服役， 现在仍然是世界上最先进的战斗机之一表1・2列出了美国的FV “鬼怪”式战斗机由涡轮 喷气发动机改装涡轮风扇发动机斯贝MK202后性能改善的情况，它充分说明了战斗机采用 涡轮风扇发动机后带来的好处（注意：斯贝MK202并不是最先进的涡轮风扇发动机，它的推 重比仅5.03"巳4用涡轮风扇发动机改装后性能的提高，主要是斯贝MK202涡轮风扇发动 机比原装的J79涡轮喷气发动机性能有较大改善:推力提高了 30%,巡航耗油率降低了 20%, 推重比由4.7提高至5.03o除此，发动机进口直径由0.992m减少至0.826m,发动机长度由 5.301m 减少至 5.205m.。

表1-2 F-4换装斯贝MK202涡轮风扇发动机后性能提高的情况飞机最大飞行M数由2.2提高至2.4最大航程增加了 54%加速到M=2的时间减少了 1/3爬升到12000m高度的时间减少了 20%在此之后，新研制的战斗机均采用了带加力燃烧室的涡轮风扇发动机，例如美国的 F/A.18、F-117,欧洲的“狂风”,法国的“幻影"，原苏联的米格・29、苏.27等三、宽体、大型、远程飞机要求发展高涵道比涡轮风扇发动机六十年代初期，美国空军提出发展战略远程大型运输机的计划，要求这种飞机能一次运 载包括直升机、大型坦克、吉普车、大型桥梁等在内的军事装备，航程一万公里以上典型 的装载为：350名全副武装的士兵，或6架AH-64武装直升机，或16辆载重卡车等为此, 要研制一种机身较宽、起飞总重在350吨左右的大型飞机，其载油量约为150吨，有效载重 约120吨为满足这种飞机的要求，需研制一种推力约为20000kgf、耗油率约比小涵道比 涡轮风扇发动机低1/3的大型发动机显然，对于这些要求，采用小涵道比涡轮风扇发动机 改进衍生的办法是无法满足的，只能采取发展一种全新的发动机来达到于是在广泛应用各 种先进技术的基础上，采用“三高”的循环参数：高的涵道比（5-8）,高的总压比（25左右）, 高的涡轮前燃气温度（1600K-1650K）,称之为“高涵道比涡轮风扇发动机”。

这类新一代涡 扇发动机有：TF39、JT9D、CF6、RB21L由于有了这种发动机，才使美空军的战略远程运 输机C-5A于1970年装备部队投入使用-当年参加研制这种飞机的投标商有美国的三大著名的飞机制造商：波音、洛克希德、道 格拉斯公司，在美空军选中洛克希德公司的方案后,这三家公司均以参与投标的方案为基础, 研制出新一代宽体机身（每排安排10个座位，以往的旅客机为6座）、能乘坐350—450乘客、 航行10000公里的大型客机：波音747（1970年投入营运）、DC-10（1971年投入营运）、 L1011（1972年投入营运），用于这三型飞机的发动机就是上述的高涵道比涡轮风扇发动机可以亳不夸张地讲，如果没有这种新一代的高涵道比涡轮风扇发动机，C.5A、波音747、 DC-10. L1011等飞机就不可能实现随后，在七十年代后期、八十年代中期，除对JT9D等发动机进行不断改进提高性能外, 又发展了各种推力挡次的发动机，以满足新的、各种型号旅客机的要求，以及用于对老式客 机的改造工程表1-3列出了 DC-8型客机用高涵道比涡轮风扇发动机CFM56-2取代原用的 JT3D小涵道比涡轮风扇发动机后，性能得到改善的情况。

由这一例中也可看出高涵道比涡 轮风扇发动机的突出特点表1-3 DC-8四发客机用CFM56-2换装JT3D后性能的改善参数原装JT3D换装 CFM56-2涵道比BPR1.46.0总压比OPR16.031.3涡轮前燃气温度1158K1588K推力84.5 kN89 kN使飞机性能改善：• 燃汕节约（航程S=5560公里）〜20%；• 有效载荷增加 〜40%；• 航程增加 〜20%四、九十年代新型旅客机要求发展性能更好的发动机1990年波音公司提出用5年时间发。