世界航空发动机发展史.pdf
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1、1 世界航空发动机发展史 摘要:航空发动机的历史大致可分为两个时期。第一个时期从首次动力开始到第二次世界大战结束。在这个时期,活塞式发动机统治了 40 年左右。第二个时期从第二次世界大战至今。60 多年来,航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代。关键词:活塞式喷气式 航空发动机诞生一百多年来,主要经过了两个阶段。前 40 年(19031945),为活塞式发动机的统治时期。后 60 年(1939至今),为喷气式发动机时代。在此期间,航空上广泛应用的是燃气涡轮发动机,先后发展了直接产生推力的涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机。亦派生发展了输出轴功率的涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。一、活
2、塞式发动机统治时期 很早以前,我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔,也曾作过各种尝试,但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试,但因为发动机太重,都没有成功。到 19 世纪末,在内燃机开始用于汽车的同时,人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源,并着手这方面的试验。1903 年,莱特兄弟把一台 4 缸、水平直列式水冷发动机改装之后,成功地用到他们的飞行者一号飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出 8.95 kW 的功率,重量却有 81 kg,功重比为 0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条,带动两个直径为 2.6m 的
3、木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有 12s,飞行距离为 36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。在两次世界大战的推动下,活塞式发动机不断改进完善,得到迅速发展,第二次世界大战结束前后达到其技术的顶峰。发动机功率从近10kW提高到2500kW左右,功率重量比(发动机功率与发动机质量的重力之比,简称功重比,计量单位是 kW/daN)从 0.11kW/daN 提高到 1.5kW/daN,飞行高度达 15000m,飞行速航空发动机发展史 度从 16km/h 提高到近 800km/h,接近了螺旋桨飞机的速度极限。20世纪3040年代是活塞式发动机的全
4、盛时期。活塞式发动机加上螺旋桨,构成了所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的动力装置;活塞式发动机加上旋翼,构成所有直升机的动力装置。著名的活塞式发动机有:英国的梅林 V 型 12缸液冷式发动机,功率 1120kW,用于“飓风”、“喷火”和“野马”战斗机;美国普拉特惠特尼公司(简称普惠公司)的“黄蜂”系列星形气冷发动机,气缸 728 个,功率 9702500kW,广泛用于各种战斗机、轰炸机和运输机。带螺旋桨的活塞式发动机的最大缺点是飞行速度受到限制(800km/h 以下)。一方面,因为发动机需要功率与飞行速度的三次方成正比,随着速度的提高,所需发动机功率急剧增大,而通过增加汽缸数目来增大功率所带
5、来的重量负荷飞机不能承受;另一方面,随着飞行速度的提高,螺旋桨的效率急剧下降并有机毁人亡的危险。因此,为了实现高速飞行,必须寻求新的动力装置,这就是喷气式发动机。第二次世界大战之后,随着涡轮喷气发动机的发展,活塞式发动机逐渐退出了航空领域的霸主地位。二、喷气推进新时代(1)喷气发动机的诞生 喷气式发动机是一种直接反作用推进装置。低速工质(空气和燃料)经增压燃烧后以高速喷出而直接产生反作用推力。由于喷气发动机没有了限制飞行速度的螺旋桨,而且单位时间流入发动机的空气流量比活塞式发动机大得多,从而能产生很大的推力,使飞机的飞行速度得到极大的提高。与喷气发动机原理有关的研究已有久远的历史,中国古代的火
6、箭和走马灯就是喷气推进和涡轮机原理的体现。1913 年,法国工程师雷恩罗兰获得第一个喷气发动机专利,它属于无压气机式空气喷气发动机,与后来的冲压发动机基本相同。冲压发动机结构简单、推力大,特别适合高速飞行。无压气机式喷气发动机还有脉冲式发动机和火箭发动机。脉冲式发动机是冲压喷气发动机的一种特殊形式,没有得到广泛应用。有压气机式空气喷气发动机是由英国人弗莱克惠特尔和德国人汉斯冯奥海因在同一时期分别发明的。压气机有离心式、轴流式、组合式等多种,由后面的燃气涡轮带动,所以这类发动机又称为涡轮喷气发动机。航空发动机发展史 空军少校惠特尔 1930 年申请了专利,1937 年 4 月研制出世界上第一台离
7、心式涡轮喷气发动机,试验中的推力达到的推力为 200daN。1941 年 5 月,推力为650daN的改进型惠特尔发动机装在格罗斯特公司的E28/29飞机上进行了成功的首飞。奥海因在 1938 年 10 月试验了采用轴流离心组合式压气机的HeS3 涡轮喷气发动机,实测推力 400daN,推力重力比 1.12。1939 年 8 月 27 日,装在德国亨克尔公司的 He178 飞机上成功首飞。这是世界上第一架试飞成功的涡轮喷气发动机。(2)涡轮喷气发动机的发展 早期的涡轮喷气发动机和飞机尚处于试验阶段,在第二次世界大战中并没有发挥多大的作用,到战后特别是 20 世纪 50 年代才获得迅速的发展。战
8、后第一批装备部队使用的喷气式战斗机是1944年美国制造的F80和1946年苏联制造的米格9,飞机为平直梯形机翼,发动机推力 800900daN,飞行速度 900km/h 左右。飞机速度达到声速以后,为了突破“声障”,在涡喷发动机上加装了加力燃烧室,它可以在短时间内加幅度提高推力。以后,战斗机继续向高空高速发展。1958 年美国推出 F104 战斗机,最大飞行马赫数 2.2,使用升限 17.68km。动力为 J79 单转子加力式涡轮喷气发动机,最大推力 7020daN,推重比 4.63。涡轮喷气发动机在军用战斗机上广泛应用的同时,也被其他机种所选用。首先是轰炸机,随后是运输机、旅客机和侦察机。如
9、果把 20 世纪 4050 年代研制的单轴涡轮喷气发动机算为第一代,那么5060 年代研制的加力式涡轮喷气发动机为第二代,其循环和性能参数水平为:涡轮前燃气温度 9501100,推重比 4.55.5,不加力耗油率 0.91.0kg/(daN h),加力耗油率 2.0kg/(daNh)左右。(3)涡轮风扇发动机的发展 涡喷发动机有一个致命的缺点,就是耗油率太高,涡扇发动机既能克服这个缺点又保有它原有的优点。涡扇发动机与涡喷发动机的区别在于低压压气机变成叶片的风扇,风扇出口气流分成两股通过内外两个环形涵道流过发动机。内涵与前述涡轮喷气发动机的情况相同,外涵空气经过涵道直接排出,或在低压涡轮后与主流
10、混合后经喷管排出,或加力补燃后排出。在核心相同的条件下,由于涡轮航空发动机发展史 风扇发动机总空气流量大,排气速度低,所以与涡轮喷气发动机相比,推力大,推进效率高,耗油率低。涡轮风扇发动机实质上仍属于直接反作用式涡轮喷气发动机。涡扇发动机诞生于 20 世纪 50 年代,首先用于民用飞机,随后扩展到军用飞机。20 世纪 60 年代出现涡扇化热潮,7080 年代发展提高、广泛应用,90 年代以后高度发展,取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。世界上第一台运转的涡轮风扇发动机是德国戴姆勒-奔驰研制的 DB670(或109-007),于 1943 年 4 月在实验台上达
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