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第14章 航天事业的变革(6)

各种燃气涡轮的燃料燃烧速率都是根据周围空气的温度和密度而变化的。燃气涡轮在10670米以上高度的同温层稀薄冷空气中使用时,耗油率最低。在短程飞行中,飞机显然不可能飞得这样高,但在各种燃气涡轮发动机的影响下,飞机的巡航高度越来越高。所以在1947年后的一段时间内,新一代的涡轮螺旋桨发动机飞机为乘客提供了一种不仅速度较快、飞行较平稳,而且飞得较高并极少受恶劣气候和云层影响的交通工具。

总的来说,涡轮螺旋桨飞机的起飞性能极好,爬升性能也比大多数具有相似设计的活塞发动机飞机好,而且其水平飞行速度比活塞飞机一般要快40~130千米/时。但是,涡轮螺旋桨飞机也有它自己的缺点:其螺旋桨易发生机械故障和气动力故障,特别是它在飞行速度方面仍脱离不开燃气涡轮飞机的一般速度极限800千米/时。尽管此后的大型后掠翼式轰炸机和运输机的飞行速度大大超过了这个极限,且美国甚至还在奋力制造超音速螺旋桨飞机。

从20世纪30年代初开始,惠特尔便意识到:可能会出现一种介于这两种形式之间的发动机,他称这为涵道风扇发动机。为开发这一新设计思想而成立的“动力喷气公司”取得了多种风扇发动机的专利权,但官方对之却很淡漠。人们一般认为:涵道风扇发动机既笨重又复杂,而且具有涡轮喷气发动机和涡轮螺桨发动机的大部分缺点而不具有它们的主要优点。因此没有人愿花费很多时间去研究设计,甚至不对这种发动机的最佳方案进行组装。

设计、组装这种发动机有多种方案。一种是以一台涡轮螺桨发动机为基础,而用其剩余轴功率带动发动机前部安装的一个大直径的风扇。该风扇颇像一副多叶片的螺旋桨。风扇可直接由涡轮驱动,也可通过减速装置低速旋转;它可安装在较短的风扇涵道内,也可安装在围绕整个“核心发动机”的较长外涵道的进口处;风扇从后方排的冷气与核心发动机排出的热气都进入同一喷管,在这里混合后喷出。另一种方案是,用一台涡轮喷气发动机喷出的热气流带动另一台装在其后部的涡轮。此涡轮的叶片周围安装有风扇叶片,它们比涡轮叶片大得多,靠通过发动机本体的气流带动工作。这种方案被称作后风扇式,它的优点是:主发动机可使用现成的涡轮喷气发动机而不需作任何改动。

美国和英国等在1941至1950年间曾制造出多种涡轮风扇发动机,在此类发动机中,曾带动飞机飞上天空的第一台发动机是法国透博卡公司生产的一种小型发动机。该发动机取名为“阿斯班”,是该公司多产的小型燃气涡轮发动机家族中最早用于飞行的发动机,它是“毕梅内”涡轮喷气发动机的主要改型之一。“阿斯班”的额定推力为200千克,1952年1月装于双机身的“富加双体”飞机上,后来其改型的推力增加到360千克,仍装在“富加双体”飞机上使用。

此时,也就是在1952年中期,罗尔斯-罗伊斯公司研制的“康韦”发动机——他们称之为外涵道涡轮喷气发动机——首台原型机进行试车。实际上这种发动机是一种双转子式涡轮喷气发动机,也可叫做分开式压气发动机。为将过量空气从外涵道输出,该种发动机内的前(低压)转子叶片加长,排气方法与前面介绍过的相同。“康韦”发动机首次运转时推力约为4080千克,后来发展到5900千克,并在此时被选作维克斯V1000军用运输机的动力装置。尽管这项方案在1956年被取消,但“康韦”的发展并未就此终止;它的7940千克推力型发动机曾装于早期的波音707和DC-8飞机上,它的9345千克推力型发动机曾装于汉德利·佩奇“胜利者”B—2轰炸机上,其额定推力为10205千克型发动机曾装于英国飞机公司VC10和超VC10飞机。

追溯现代涡轮风扇发动机之源,至少可以说普拉特·惠特尼公司也作出了同等的贡献。该公司于1958年作出了一个大胆的决定,对已使用多年的JT3(J57)双转子涡轮喷气发动机进行改装,使之变成前风扇式发动机。公司向当时所有使用JT3C涡轮喷气发动机的用户提供成套改装部件,用户自己即可进行改装。该发动机低压压气机的进气口和前三级均被去掉,在这些部位换装一个大直径的双级风扇,固定在低压转子保留部分的前面并随之旋转。为了提供附加的轴功率以带动此大型风扇,在压涡轮上又增加了一个等三级。结果,改装后的发动机仅比原先增大了一倍。尽管发动机的直径增大了,但安装到飞机上之后,其阻力仅比JT3涡轮的喷气发动机有少许的增加。耗油率近乎相同,因为燃料系统和燃烧室几乎没有什么改动。然而推力却从5440千克左右增大到7710千克,而且噪音剧减。

这种显然是“拼凑”起来的发动机对世界亚音速飞行产生了极深远的影响。涡轮风扇发动机得到了广泛应用,也正是它,而不是任何其他发动机,无可争辩地证实了涡轮风扇发动机所能取得的巨大的成就。它对空运业的影响是惊人的。波音707和波音720喷气客机的最早用户之一——美国航空公司于1959年决定,将其全部波音飞机的涡轮喷气发动机改装成JT3D,并用“风扇喷气”这一专用词作为改装后发动机的商用代号。其他使用波音飞机的公司几乎也都进行了这种改装,因而在现代使用的喷气式班机中很少有“单涵道”喷气客机。

投入航线使用的后风扇发动机主要的只有一种。20世纪50年代后期,通用动力公司对其康维尔分公司研制的短—中程880型飞机投入了大批资金。在此基础上发展出一种体积稍大、重量稍重的990型“科罗纳多”飞机,此机装的发动机是880型飞机的后风扇式改型。通用电气公司为880型制造的发动机是CJ805型,它是J79超音速军用涡轮喷气发动机的民用型。在990型飞机上,通用电气公司为其发动机增加了一个大型自由转动式后风扇,风扇上装有双层叶片;内层涡轮叶片靠热蒸气带动工作。外层风扇叶片靠外围气流带动工作。1962年,此系列发动机中又出现一种非常小型的发动机——CF700-2B,其额定推力为1814千克,只相当于后风扇式CJ805发动机推力的1/4,曾装于法国达索公司“神秘”20商用喷气式飞机上使用,此飞机很快又被泛美公司的商用喷气式飞机分公司重新命名为“风扇喷气式猎鹰”。

涡轮喷气式发动机在今天并没有多少新的型号。即使在最小型的发动机中,人们也常常选用涡轮风扇发动机,这是因为它不但经济、推进效率高(因为它的平均喷流速度小),而且噪音小。喷气速度对各种飞机来讲,都是影响其推进系统性能的重要因素之一。螺旋桨的喷流速度最低,所以它产生的起飞的拉力最大、拉进性能也最好,而且从理论上来讲,它的噪音也应最小。但另一方面,随着飞机速度的增大,它的性能会迅速降低;在执行商用飞机任务时,此种发动机的速度极限大约为645千米/时。

涡轮风扇发动机填补了螺旋桨发动机与涡轮喷气发动机之间的空白。20世纪70年代中期高涵道比的涡轮风扇发动机,其涵道比将为10∶1左右,也就是说,通过风扇的空气将是通过核心发动机空气的10倍。这样发动机实际上就是一台外面加了一个罩的涡轮螺桨发动机。在耗油量一定的情况下,涡轮风扇的发动机的起飞推力比涡轮螺桨发动机要稍低一些,但是,它的性能下降速度比涡轮螺桨发动机要慢,而且足能使飞机速度达到800千米/时。它的噪音,从理论上讲,比涡轮螺桨发动机稍大,因为风扇和喷出气体的平均速度比螺旋桨滑流速度大;但实际上,螺旋桨叶片的振动、翼尖的音速流、传动装置的噪音以及其他因素所导致的噪音使涡轮螺桨发动机的总的噪音大大超过了相应的涡轮风扇的发动机。

对现代化速度最快的几种班机来说,如速度为1000千米/时的波音747,涵道比为5∶1已是很普通的事。这个涵道比,几年前还被认为是高不可攀的,而现在,只要对发动机机械设计的诸个细节给予极大重视,即可以制成噪音很小的发动机。涵道比为5∶1的发动机,其喷气速度虽然可完全适应极高的亚音速巡航速度,但不能推动超音速战斗机达到超音速速度。安装在最大的涡轮风扇的发动机上的特大风扇,直径可达2.44米,在起飞转速时,其叶尖保持为超音速。风扇输出的大部分气体直接从一较短的风扇涵道向后排出;只有中间部分的气体通过核心发动机。用这种发动机实现反向时,单靠风扇输出的气流便可得到理想的反推力,而减小核心发动机的推力,只需增加一个阻流门。但也有一些大型涡轮风扇发动机,不需使用太复杂的机械装置或增加过多的重量,便可使风扇和核心发动机的气流实现全部反向。

前面已经提到,涡轮风扇发动机的涵道比可达到10∶1。这种发动机的涡轮和风扇之间,一般需有一个减速器,因为涡轮直径小,而风扇直径大,涡轮转动速度要比风扇转动速度快。早先使用的“阿斯班”发动机,其风扇就装有减速器,美国加勒特——航空研究公司在现代生产的这类发动机,包括用于商用喷气式飞机的TFE731风扇发动机,都采用了带减速器的风扇。

继此种装有减速器的高涵道比发动机之后,又出现了变距叶片式风扇发动机。但这仅仅是设想,因为它沿用的是过去40年间使用螺旋桨发动机所确立的原理。变距叶片式风扇发动机的风扇叶片,可按顺桨和逆桨的各处角度调整。它将是历史上第一种驾驶员不论在着陆时还是在飞行中能立即有效地控制向前或向后推力的发动机。这对于短距起降飞机尤为重要。到目前为止(指1927年),固定翼的短距起降飞机在以最大起飞重量着陆时,滑跑距离仍不能保持与起飞滑跑距离相同。这种状况的部分原因是:在速度约95千米/时以下时,喷气反向不能发挥作用,在低速度时,使用喷气反向也有许多困难,而且机轮刹车也会由于道面太滑而失效。逆桨风扇可提供极大的刹车力,直到完全停车;高涵道比发动机可与之相配用,此外它还可提供极大的起飞推力。到1973年,使用这种发动机的短距起降飞机将具有噪音小、性能高的特点,其巡航速度也将由目前短距起降飞机的332千米/时提高到645千米/时。

涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机的某些基本设计和机械部件还有待探讨。今天的大型发动机都是使用轴流式压气机,该种压气机的压气功能是由一串周围带有形似小翼、呈星形排列的叶片的转子盘完成的。最早的燃气涡轮发动机使用的是离心式压气机,在这种压气机中,空气通过带径向叶片的旋转盘甩出去。目前这种压气机在小型发动机中仍有使用,通常是被用作压气机的最后一级而置于轴向风扇和压气机的前几级之后。

轴流式压气机的效能较高,在一定量气流的条件下,其前横截面小,而离心式压气机总的说来价廉并耐用。涡轮通常采用轴流式,只是在个别很小的涡轮中,采用径向式进气。在较先进的发动机中,涡轮转子叶片配有无数精细的轴向通道,压气机压进的高压气体能穿过这些通道使叶片降温。气冷式涡轮转子叶片是罗尔斯—罗伊斯公司首先研制成功的,这种技术可使处于1150℃的燃气流中的各部位叶片的金属的温度保持在750℃以下,从而使叶片的寿命从大约几分钟提高到10000小时,甚至提高更长的时间。

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