設(shè)計理念
軍用渦輪扇噴射引擎幾乎都是雙軸(dual-pool stage),,有四大部分(1)雙軸系壓縮機(dual-axial compressor)由低壓壓縮機(LPC)及高壓壓縮機(HPC)組成、(2)燃燒機,、(3)雙軸系渦輪,,即高壓渦輪(HPT)及低壓渦輪(LPT),,(4)后燃器。設(shè)計高性能渦輪扇噴射引擎必須要注重以下三大問題:
1,、避免壓縮機葉片因轉(zhuǎn)速過,,快造成壓縮機后部各級堆積空氣,或進氣道氣流畸變而導致的失速(compressor surge),,故須有各種糾正措施,。舉例說明,J79-GE-15渦噴發(fā)動機依賴調(diào)整高低二級壓縮機轉(zhuǎn)速比,,讓壓縮機在任何情況下能夠匹配,。當后部阻塞時,應用前6級可變傾角靜子葉片,,調(diào)整角度以疏導氣流,。氣流依序通過2級風扇、6級低壓壓縮機及7級高壓壓縮機,,獲得總壓比17,。千萬記住,,如何以最少的級數(shù)獲得高壓縮比,,才是判斷噴射發(fā)動機設(shè)計技術(shù)的重要指標。
2,、減輕壓縮機重量,,以使離心力及大量施功于空氣所生的機械負荷,不超過制造壓縮機葉片所用合金所能承受的最大的機械強度,。故前部壓縮機葉片可用鈦合金,,后部壓縮機葉片因溫度升高必須用其他耐高溫合金。
3,、使渦輪工作更有效,,以帶動壓縮機更快旋轉(zhuǎn)。所以必須要產(chǎn)生讓渦輪運轉(zhuǎn)更快的高溫氣體,,同時減輕渦輪自身重量,。于是就須要提高渦輪進氣溫度,及應用高強度及更耐來制造葉片,。對渦輪葉片性能影響最大的是高溫合金的鑄造技術(shù),。當然那根渦輪軸的加工精度也很重要,否則摩擦熱會燒毀引擎,。
技術(shù)指標
1,、旁通比(BPR)= 旁通的氣體質(zhì)量 / 流進核心機的氣體質(zhì)量。高BPR意味著更少的空氣流過核心機,,所以提高總壓縮比就越容易,,這是渦扇噴射引擎的基本想法,。根據(jù)推進效率,渦輪扇引擎在亞音速飛行中,,BPR越大,,燃油耗油率越低。另一方面,,低BPR說明更多的空氣流過核心機,,在超音速飛行中,在加力狀態(tài)下,,低BPR能使單位流量推力增加,,燃油耗油率降低。
2,、總壓縮比(TPR) = 壓氣機后出口壓力 / 壓氣機前進口壓力,。高總壓縮比使壓氣機和進氣裝置的調(diào)節(jié)成為必要,且越來越復雜,。高總壓縮比也使渦扇引擎的壓氣機穩(wěn)定性裕度面臨極大考驗,,壓力越大越容易造成失速。所以遠程轟炸機或民航機因為不須作激烈的機動,,不需極復雜的調(diào)節(jié)裝置,,可由提高TPR,來降低燃油耗油率,,增加航程,。但對于戰(zhàn)斗機,提高TPR 必須有節(jié)制,。例如F119的TPR = 25,,EJ200 TPR = 26。B 1引擎的TPR > 30,。F100-PW-229受限于基本設(shè)計,,將TPR從原來的25提高到34,推力增加但重量也增加,,推重比不變,。與其一味提高TPR,不如以最少的壓縮級數(shù)來達到所需的壓縮比,。
3,、前渦輪進氣溫度(TIT),戰(zhàn)機引擎的發(fā)展是通過提高TPR與TIT,,來增加推力,,降低燃油耗油率。TIT的提高,,加上良好渦輪效率,,高溫氣體足夠有效帶動渦輪的運動,,所以渦輪級數(shù)可降低。在研制時,,AL-31F超重,,將均為二級的高低渦輪,各改為單級,,導致渦輪效率比設(shè)計值低4%,,通過提高TIT從1350C到1392C來補償。BPR的選擇與TIT的極限有密切關(guān)系,,在相同的TIT限制下,,例如 1600~1700K的極限下,戰(zhàn)斗機的 BPR應選擇0.15~0.5之間,,TPR = 20~30,。
由于軍用引擎設(shè)計參數(shù)不容易取得,但通過幾個特徵約可一窺全貌:
推重比(T/W),,TIT,,TPR,BPR
第一代渦輪噴射引擎的特征(用于Mig-17,,Mig-19):TIT ~ 1150K,,TPR = 4~6。
第二代渦輪噴射引擎的特征(用于Mig-21):TIT = 1200~1250K,,TPR = 8~10,。
第三代渦輪噴射引擎的特征(用于Mig-23):TIT = 1400~1450K,TPR = 13~15,,T/W = 5.5~6.5。
第四代渦扇噴射引擎的特征(用于F-16或Su-27):TIT = 1600~1700K,,TPR =20~25,,BPR ~ 0.6,T/W ~8,。
WS-6G發(fā)動機
WS- 6G(在1982年試驗達設(shè)計指標)的參數(shù):TIT = 1473K,、TPR = ~19、BPR = 0.62,、T/W ~7,。可見WS-6G的性能劣于第四代渦扇噴射引擎,,但比第三代渦輪噴射引擎要好,。WS-9的BPR=0.78,TPR=16.8 (compressor: 4 low pressure + 12 high pressure),。從設(shè)計指標看來,,WS-6G比WS-9先進,。與西方第四代渦扇噴射引擎相比,WS-6G設(shè)計之主要差距,,表現(xiàn)在壓縮機效率與渦輪葉片合金的性能,。
WS-6G是典型缺乏市場觀念,中央計劃經(jīng)濟的產(chǎn)物,。上面一聲令下,,科研人員只負責把東西研制出來。首先最大138kn推力量級本就與現(xiàn)實不符合,,WS-6G 的最大推力應該是90~110kn量級才是,,無論是單發(fā)或雙發(fā)都適合。
發(fā)動機的好壞對飛行性能有極大影響,。高BPR發(fā)動機高空高速性能不好,,F(xiàn)100-PW-100的BPR為0.71,到了F100-PW-129 的BPR~0.6,,到了F100-PW-229其各部件得到強化,,BPR變成0.33,總壓比達到34,,改善高空高速性能及降低耗油率,。以飛機持續(xù)轉(zhuǎn)彎率來說,與速度成反比,,與(n**2-1)**0.5成正比,,n為過載因子。提高過載必須(1)低翼載,,(2)高推力,,(3)低零升阻力(簡言之,非升力產(chǎn)生的阻力)與低誘導組力(因升力產(chǎn)生的阻力),。因為發(fā)動機推力與高度,、速度有關(guān),飛機能否飛出大過載,,實際上受限于發(fā)動機的高空高速性能,,這在超音速機動中尤其重要。 |