燃气涡轮发动机大变身

2016-10-24 20:36:54 航空世界 2016年9期

航空工业素有“工业之花”的美名,是代表一国科技、经济和国防水平的重要标志。而集现代科技之大成的燃气涡轮发动机,又被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。可见航空发动机在航空工业乃至整个工业体系中的重要地位。由于研制一种新型燃气涡轮发动机需要投入数亿甚至数十亿美元的经费,航空工业强国为了降低风险,往往采取核心机发展战略和衍生发展的方法。即在一种核心机基础上,研制出涡桨、涡轴、涡扇等发动机,或者在一种成熟发动机基础上派生出不同型别、不同用途的发动机。

核心机的概念

航空发动机的核心机亦称燃气发生器,是指多转子燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动高压压气机的高压涡轮等三个部件以及有关附件组成的燃气涡轮发动机的核心部分。核心机的特点是温度高、压力高、转速高、承受的应力大,对发动机的性能和可靠性影响最大。核心机因此成为航空发动机研制中主要难点和关键技术最集中的部分,也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。

从技术途径讲,核心机是利用在应用研究和探索发展中得到的燃气涡轮发动机的核心部分,在真实环境下评估这些核心机技术的性能、成本和耐久性。有了这种关键硬件的验证,在将这些技术转移到工程发展时就能减少风险,并缩短工程发展的周期,降低成本。因此,核心机发展战略作为预先发展的重要内容,较好地解决了发动机与飞机机体研制进度的协调问题。

燃气涡轮发动机诞生以来,向着涡喷、涡桨、涡扇等类型发展。这些发动机尽管大小不同,外形各异,却可以拥有相同的核心部分。因此,设计人员为了降低研制成本与风险,往往采取系列化的发展战略。燃气涡轮发动机系列化的最主要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的情况下,通过改变风扇或低压压气机直径、级数以及涡轮的冷却技术或材料来改变发动机的主要循环参数,如增压比、涵道比、涡轮进口温度等,获得不同性能和用途的发动机。由于采用模块化设计,在同一核心机上配上从其他研究计划中得到的不同风扇或低压涡轮、加力燃烧室、控制系统和传动系统等,就能够像搭积木一样,以较低的风险研制出覆盖一定推力(功率)范围,满足不同用途的一系列发动机,从而实现核心机的多用途目标。利用核心机发展系列发动机的道路始终受到航空发达国家的高度重视,并成为燃气涡轮发动机系列发展的主要技术途径。

核心机发展的典型代表

喜欢军事的朋友大抵都知道美国的S-3、A-10、B-1、C-5、F-14、F-15等飞机,如果有人说这些大小不同、用途各异的飞机使用的发动机均来自一个核心机计划,您可能不会相信。事实上,不光这些军用飞机,还有许多大小不等的民用飞机及其派生出的军用飞机的发动机也与这个计划有关。

20世纪50年代末,美国空军开始实施轻型燃气发生器计划,分别和通用电气公司、普拉特·惠特尼公司签订了研发合同,打算以此核心机为基础,根据需要发展成战斗机、轰炸机、运输机的动力装置。60年代初,通用电气公司根据美国海军提出的对新一代战斗机的要求和对其他9种可能发展的军用飞机综合考虑后,确定了GE1核心机的性能和尺寸。通用电气公司在这个核心机基础上保持外径不变,不断改进出一系列的核心机,包括对以后具有重大影响的GE1/6、GE9和GE1/10。通用电气公司在这些核心机基础上分别发展出YJ101、TF34、TF39、F101、F110、F404等许许多多的发动机,推力从40千牛到263千牛。

1964年5月,美国空军根据对研制C-5战略运输机的要求,提出新型发动机招标。1965年,通用电气公司和普惠公司分别提出GE1/6和STF200验证机(核心机)作为投标。同年8月,美国空军宣布通用电气公司获胜,不久之后将该发动机正式编号为TF39。该发动机不仅是世界上第一台采取核心机方式产生的航空发动机,也是首台高涵道比涡扇发动机。

1966年末,美国海军分别与通用电气公司和艾利逊公司签订了研制S-3舰载反潜机动力装置的合同。1968年4月,通用电气公司的TF34高涵道比涡扇发动机设计方案中选。该发动机以GE1为基础,并吸取了TF39和CF6的风扇技术。1972年8月,TF34通过了定型试车,9月,首台生产型发动机交付海军使用。

F101是通用电气公司为B-1战略轰炸机研制的中等涵道比涡扇发动机。它的研制过程可以追溯到60年代中期,当时该公司正按美国空军要求实施第二代先进涡轮发动机燃气发生器计划,编号为GE9。1969年,在为争夺用于B-1轰炸机的竞争中GE9获胜。1971年10月核心机首次试验。最终定型投产的B-1B轰炸机安装了F101-GE-102发动机。

航空发动机的衍生发展

衍生发展从本质上讲也是核心机发展方式,只是与TF39、F101等为代表的直接从核心机计划发展而来的新型发动机不同,是对已有发动机的继承。从时间上看,衍生发展方式比核心机之路还要早。

自从20世纪50年代末美国对J57、J79进行涡扇化改型之后,西方国家的航空强国走上了衍生发展的系列化发展道路。在衍生发展方面,一些航空发动机制造商走出了具有各自特色的发展道路。

普惠公司利用衍生发展之路,开辟了不同于通用电气公司的广阔天地。以J52涡喷发动机为例,该型发动机作为A-4、A-6攻击机的动力装置,与海军飞机有着深厚的渊源。该发动机的重要改型JT8D涡扇发动机,被安装于波音727、波音737、DC-9/MD-80、“快帆”等客机上,是世界上首台销量超过万台的涡扇发动机。在JT8D基础上派生出的RM8,则是瑞典Saab-37战斗机的动力装置。再以1947年开始设计的J57涡喷发动机为例,该发动机被用于海军的F4D/F-6、F8U/ F-8战斗机、A3D/A-3攻击机,空军的F-100、F-101、F-102战斗机,B-52轰炸机(大部分型号)、KC-135A加油机等。其民用改型JT3C被波音707、DC-8等客机采用。1957年,世界上首台涡扇发动机英国的“康维”完成定型试验。为了追赶英国,普惠公司将JT3C-7改成 JT3D小涵道比涡扇发动机。该发动机广泛应用于波音707、DC-8等飞机上。JT3D的军用型号TF33被安装于C-135系列、C-141、B-52H、E-3、E-8、RB-57F等飞机上面。在J57基础上放大而来的J75,被应用于F-105、F-106、U-2/TR-1等飞机,其民用型号JT4曾用作波音707和DC-8的动力装置。1958年,普惠公司开始研制民用的JTF10A发动机,但未获得应用。1961年末,美国海空军提出F-111战斗机的设计要求,并选中了JTF10A的军用型TF30-P-1。TF30是世界上首次用于战斗机的超音速加力涡扇发动机,除用于F-111外,还用于F-14战斗机,其无加力型用于A-7舰载攻击机。

通用电气公司除了在GE1系列核心机基础上研发有多种世界知名的航空发动机外,还在这些成熟的发动机中衍生发展出F110、F404、F414、CF6(军用编号为F103)、CFM56(军用编号为F108)等发动机。以F/A-18战斗机使用的F404发动机为例,该发动机源自为YF-17研制的YJ101涡喷发动机。YJ101发动机则由在F101核心机基础上按比例缩小的GE15发展而来,后来通用电气公司又将其放大为F404发动机。通用电气公司在F404基础上还为已经下马的A-12舰载攻击机研制了无加力型的F412发动机。进入90年代以后,为满足F/A-18E/F战斗机的需求,通用电气公司利用F404的风扇和尾喷管、F412的高压压气机和高低压涡轮、为第四代战斗机研制的YF120发动机的加力燃烧室等研制了F414发动机。通用电气衍生发展的好戏还没有结束,该公司在F101核心机基础上研发了两种非常成功的发动机。一个是被用于F-14、F-15、F-16等战斗机的F110。该发动机的无加力型F118,主要用于B-2A和U-2S。第二个是与法国斯奈克玛公司研制的当代最成功的CFM56发动机,被KC-135/RC-135、E-3、E-6、波音737/P-8/E-737/C-40、A320、A340、DC-8等军民用飞机大量使用,是继JT8D之后又一销量超过万台的军民用发动机。

英国的罗罗公司在兼并纳皮尔公司和布里斯托尔·西德利公司后,成为英国唯一的航空发动机制造企业,1995年,罗罗公司收购了艾利逊发动机公司(成为罗罗美国公司)。目前,该公司是排名仅次于通用电气公司的世界第二大航空发动机制造商。罗罗公司与普惠公司一样,在基准型发动机基础上不断衍生新的发动机,具有很强的继承性。例如,“康维”作为世界上第一台涡扇发动机,许多技术源自“埃汶”涡喷发动机。再以我“飞豹”战斗轰炸机使用的“斯贝”Mk202为例,该发动机属于人丁兴旺的“斯贝”家族的一员。“斯贝”和F-14使用的TF30一样原是一种民用发动机,曾被“三叉戟”、BAC-111、福克F.28、“湾流”Ⅱ/Ⅲ等飞机使用。其中的一个军用型号被“掠夺者”舰载攻击机和“猎迷”海上巡逻机使用,另一个是美国的仿制型号即用于空军型A-7攻击机的TF41,还有就是“斯贝”Mk202。后者除了“飞豹”使用外,英国海空军的“鬼怪”也使用这款发动机。民用型的“斯贝”后来又派生出“泰”高涵道比涡扇发动机,供福克100、“湾流”Ⅳ等飞机使用。

核心机发展战略和衍生发展不仅表现在涡扇发动机,在涡桨和涡轴发动机方面也不乏成功范例。

执世界涡桨发动机牛耳的美国艾利逊公司从1944年即开始涡桨发动机的设计工作。T40是艾利逊公司设计成功的第一台涡桨发动机,不久,艾利逊公司便在XT38和T40发动机基础上研制出畅销的501/T56涡桨发动机。1985年,该公司从T56和501发动机发展起来的T406涡轴发动机被V-22倾转旋翼机采用。在此基础上又研制出AE3007涡扇发动机和AE2100涡桨发动机。另外,艾利逊公司研制的250型,军方编号为T63,是一种既可供小型飞机使用,又可供小型直升机使用的燃气涡轮发动机。

稳坐世界航空发动机头把交椅的通用电气公司,除了在涡喷、涡扇发动机方面颇有建树外,在涡轴和涡桨发动机方面也有不少成就。该公司在GE12核心机基础上,做些小的改动使之成为T700涡轴发动机,用于“黑鹰”/“海鹰”、AH-64、EH101等直升机。在T700基础上研发的CT7涡桨发动机,用于CN.235、Saab340等飞机上。在此之前,通用电气公司研发了主要用于H-53直升机的T64/ CT64涡轴发动机,其涡桨型主要用于G222/C-27运输机和PS-1/US-1水上飞机。

其他国家,如苏联/俄罗斯、加拿大、英法等国研发的涡桨和涡轴发动机皆有类似情况。

舰船用燃气轮机

燃气涡轮发动机领域是个多姿多彩的世界,技术与需求使其变化多端。除个别专门研制的燃气轮机外,绝大多数舰船用燃气轮机为航空发动机改装而来的轻型燃气轮机(简称航改燃机)。目前,英国和美国是两个将航空用燃气涡轮发动机衍生成舰船用燃气轮机的主要国家。

英国于20世纪50年代以来,研制、生产的航改燃机主要有在“奥林帕斯”Mk202涡喷发动机基础上研制的“奥林帕斯”TM1A、TM2A、TM3B、TM3C燃气轮机,在“苔茵”涡桨发动机基础上衍生的“苔茵”RM1A、RM1C燃气轮机,在“斯贝”涡扇发动机基础上衍生而来的“斯贝”SM1A、SM1C、SM2C燃气轮机,在RB211、“遄达”“泰”等航空发动机基础上研制的WR21燃气轮机,在“遄达”800基础上研发的MT30燃气轮机等型别。这些动力装置分别用在护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、航空母舰、破冰船等舰船上。

美国海军应用燃气轮机晚于英国约5年,即在60年代初期开始考虑将燃气轮机应用于舰艇。在1969年以后,美国海军常规动力迅速走上了全燃推进的道路,其燃气轮机的装舰数量大大超过其他国家,由此确立了美国在舰船用燃气轮机领域中的霸主地位。美国的几家航空发动机制造商先后研发了LM1500、LM2500、LM5000、LM1600、FT4、FT8、FT9、 ST18A、ST40、570-K、TF25、TF40、TF50等舰船用燃气轮机。

尽管美国研发了多种舰船用燃气轮机,但对世界舰船动力最具影响力的则是LM2500。1968年,通用电气公司以TF39的核心机为基础,开始研制LM2500舰船用燃气轮机。自从1975年投入使用以来,LM2500系列燃气轮机已经占据了世界舰船用燃气轮机的大部分份额,分别装在轻型航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、两栖登陆舰、巡逻舰、气垫船、水翼艇等舰船上。

中国航空工业在20世纪七八十年代,在航改燃机方面取得了一些成就。进入21世纪以来,中航工业继成功研制出“昆仑”、“太行”发动机以后,在其基础上又先后推出QC185、QC260等一系列的舰船用燃气轮机。