基础知识 | 航空发动机的百年成长历程

2015年12月7日，美国《航空周刊》刊文介绍了近现代航空发动机的百年成长历程和几个意义重大、标志性的里程碑。

旋转汽缸星式发动机

早期发动机制造商设计的一种发动机为曲轴固定在飞机机身，而整个曲轴箱和气缸旋转，为发动机提供足够冷却空气的结构形式，从而不必为发动机配装散热器，减轻了发动机的重量。

这一概念率先由法国汽车工程师Louis和Laurent Seguin开拓，他们于1905年在巴黎附近的热讷维耶创立了“侏儒汽车公司”(Société des Moteurs Gnome)，接着在1912年与“罗纳汽车公司”(Société des Moteurs Le Rhôn)合并为“侏儒和罗纳”旋转发动机公司，其所产发动机在第一次世界大战期间为盟军和德军飞机普遍使用。

变距螺旋桨

为了在飞行中能有更好的爬升性能和更高的发动机效率，就要改变螺旋桨桨距。汉密尔顿标准公司(Hamilton Standard)开发了第一个实用的在飞行中改变叶片角度的系统，在1933年被安装到道格拉斯DC-1飞机上用于商业服务。进一步发展产生了电液伺服的变距系统，并最终发展出了恒定转速可调桨距的螺旋桨，随速度的增加调速器会自动增加桨距。

该系统的主要组成部分是：

1)调速器；2)桨叶插脚；

3)辅助滑油连接件；4)调速器驱动；

5)蜘蛛臂；6)调速器油路；

7)桨叶到桶壳间油封；8)凸轮轴；

9)凸轮滚子；10)止推轴承组件；

11)整流罩插头；12)整流罩壳体；

13)活塞；14)分配器阀门；

15)凸轮轴承；16)静止凸轮；

17)旋转凸轮；18)桨叶齿轮区段；

19)前半桶壳；20)后半桶壳；

21)螺旋桨减速齿轮；22)发动机机头部分。

涡轮增压器

一战快结束时研究人员发现，在海平面空气在被吸入到发动机之前，通常经离心式压气机进行预压缩后，能够显著提高活塞式发动机的动力。该系统还被用于补偿随高度增加而减少的空气密度，从而防止飞机爬升过程中功率的下降。早期的“自由女神”(Liberty)发动机就配装有基本的涡轮增压器，在1918年通用电气(GE)公司Sanford Moss领导的一个小组测试过类似的涡轮增压器。

▲涡轮增压基本原理

液冷动力装置

为了追求更低的阻力和更高的飞行速度，一些活塞发动机汽缸被布置成一排，而不是沿径向安排。然而面对冷却空气的挑战，设计师选择采用液体冷却系统。20世纪40年代，强大的液冷活塞式发动机的发展达到了顶峰，英国罗罗公司的“灰背隼”(Merlin，或称默林)发动机在二战期间生产了数千台，作为战斗机、轰炸机和运输机的动力。

▲“灰背隼”46发动机

终极活塞发动机

活塞的功率最终达到了顶点，如普惠公司2800马力的R-2800“双黄蜂”(Double Wasp)和3500马力的R-4360“黄蜂长”(Wasp Major)发动机。

▲R-2800“双黄蜂发动机

寇蒂斯•莱特公司开发的18缸2200马力的R-3350双工旋流和带3个GE涡轮增压器的3700马力的涡轮复合机型。

▲莱特R3350双排星型发动机

作为最后的、也是当时最先进的量产活塞式客机，道格拉斯的DC-7C和洛克希德“超级星座”(Super Constellation)的动力，莱特涡轮复合型发动机的功率是莱特第一台四缸发动机的280倍。

双转子涡轮喷气发动机

第二次世界大战后，普惠公司研制出第一台双转子(或称双轴)涡轮喷气发动机，具有两套压气机和涡轮，在同一台发动机中同心安装。由此产生的J57成为那个时代的黄金标准，成为各式美国军用飞机的动力，从波音公司的B-52和KC-135到麦克唐纳公司(McDonnell)的F-101，康维尔公司(Convair)的F-102和各种海军飞机，包括道格拉斯公司(Douglas)的F4D和F5D。

▲B-52轰炸机

J57也使北美YF-100飞机在1953年，成为第一个实现持续超声速飞行的战斗机。普惠还向民用市场提供J57的民用衍生型JT3发动机，成为第一代波音707和道格拉斯DC-8系列飞机的动力。一台英国的发动机，布里斯托尔(后来是罗尔斯•罗伊斯公司)的奥林巴斯发动机也是双转子构造，继在1950年最初运转后，为“火神”(Vulcan)轰炸机提供动力，并且与斯奈克玛公司合作，作为英法协和式超音速运输机的动力。

▲协和超音速客机

涡轮风扇喷气发动机

在20世纪50年代，为了改进燃料效率和提高推力，促使制造商研究出了发动机内的气流分为涵道外流和核心流的新样式发动机。罗尔斯•罗伊斯的康威(Conway)发动机是第一种涵道发动机，1960年在波音707上投入使用。

▲波音707

但最成功的是普惠的JT3D发动机。通用电气公司生产的CJ805-23B，通过将风扇级附加到军用J79发动机衍生型的后端成为美国第一种涡轮风扇发动机，但它的成功有限，仅为康维尔990飞机使用。

可调静子叶片

早期的喷气发动机在低转速，特别是在加速期间，容易发生压气机失速等运转问题。在1954年，GE工程师格哈德•诺伊曼(Gerhard Neumann，图中左，与J79的共同设计师尼尔•伯吉斯/Neil Burgess在一起)发明了一种新颖的解决方案，当发动机转速上升时可以改变进口导向叶片和压气机静子角度的一种自动系统。这项突破使得以马赫2以上飞行成为可能，并奠定了现代高涵道涡轮风扇发动机的基础。

所向无敌的J79发动机

30年间制造了各种作战飞机使用的J79发动机超过17,000台，从洛克希德公司的F-104“流星”战斗机和F-4“鬼怪”战斗机到康维尔公司的B-58“浪子”和以色列航宇工业公司的“幼狮”。

▲地勤人员正准备更换J79发动机

GE公司J79发动机剖面图所示的关键组件：1)进气口；2)前齿轮箱；3)第1号轴承座；4)可调导向叶片作动器；5)17级压气机；6)2号轴承座；7)三级涡轮；8)3号轴承座；9)加力燃烧室供油歧管；10)排气喷口调节片作动器；11)尾喷管；12)主喷口调节片；13)辅助喷口调节片；14)尾喷管内衬壁；15)火焰稳定器；16)排气锥；17)加力喷油杆；18)尾喷管温度热电偶；19)3级涡轮20)燃烧室；21)联焰管；22)燃油喷嘴；23)水平附件传动轴；24)传输齿轮箱；25)垂直传动轴附件；26)可调进气道导向叶片。

涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机

涡轮螺旋桨发动机利用燃气轮机排气流的能量，将其转换成轴功率，或者通过齿轮箱直接与压气机相连，或由独立的自由涡轮共轴传递给一个减速齿轮箱。涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机类似，但是将功率提供给连接转子的传动装置，而不是螺旋桨。著名的涡轮螺旋桨发动机有罗尔斯•罗伊斯公司的达特发动机(Dart)。

材料与设计

通用电器公司(GE)成功确认了在F414涡轮风扇发动机上使用轻质陶瓷基复合材料(CMC)制造的低压涡轮叶片的耐高温性能和耐久性，打开了在未来第六代战斗机用作战发动机和其他应用中更多地采用先进的材料的大门。

▲F414涡轮风扇发动机

高涵道比齿轮传动涡轮风扇

普拉特•惠特尼公司开发出了一系列的齿轮传动涡扇发动机，它是通过一个齿轮系统将低压涡轮和风扇连接起来。这个概念此前在霍尼韦尔的TFE731和LF502系列较低推力的发动机上取得成功，通过允许风扇以较低转速工作而低压压气机和涡轮以较高转速工作，使发动机达到更高的效率。普惠公司的PW1000G齿轮传动风扇发动机目前包括3个主要型别和5个用户，但预计在数量和推力范围方面都会增长。罗尔斯•罗伊斯公司也计划采用这一概念发展未来的超高级风扇(UltraFan)高推力发动机。