美蘇第二代戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

20世紀(jì)50年代，美蘇兩國(guó)均發(fā)展了大批軍用飛機(jī)，包括戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、軍用運(yùn)輸機(jī)與偵察機(jī)等，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)型別也較多。通過(guò)比較分析其典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以大致判斷出美蘇第二代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同特點(diǎn)。

美國(guó)的F-104、蘇聯(lián)的米格-21和法國(guó)的“幻影”3被譽(yù)為20世紀(jì)60年代世界三大高性能戰(zhàn)斗機(jī)。

其中，美國(guó)F-104的設(shè)計(jì)工作始于1951年，原型機(jī)于1954年3月4日首飛，1958年2月20日投入使用。該機(jī)有多種改型，共生產(chǎn)2578架，所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為GE公司的J79加力式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，另一型雙發(fā)雙座的F-4“鬼怪”戰(zhàn)斗機(jī)也采用J79發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力。F-4設(shè)計(jì)于1956年，最初是為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)的，后來(lái)也被空軍所采用。其原型機(jī)于1958年5月27日首飛，1960年12月30日交付美國(guó)海軍，1963年11月交付空軍。該機(jī)也有多種改型，共生產(chǎn)了5159架。

與F-104齊名的同時(shí)代蘇聯(lián)米格-21戰(zhàn)斗機(jī)于1953年設(shè)計(jì)，原型機(jī)于1955年首飛，1958年投入使用，共生產(chǎn)11496架，有多個(gè)改型，其初始型號(hào)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為R-11F-300雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以后的型號(hào)則采用R-13-300雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，兩者結(jié)構(gòu)基本相同，只是后者的高壓壓氣機(jī)由3級(jí)增為5級(jí)。

F-104、F-4與米格-21均屬于第二代戰(zhàn)斗機(jī)。因此，J79與R-11F-300是同時(shí)代兩型發(fā)動(dòng)機(jī)。本文對(duì)美國(guó)用于F-104與F-4戰(zhàn)斗機(jī)的J79發(fā)動(dòng)機(jī)與蘇聯(lián)用于米格-21戰(zhàn)斗機(jī)的R-11F-300發(fā)動(dòng)機(jī)從主要參數(shù)（見(jiàn)表1）和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 R-11F-300與J79發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)比較

美國(guó)的J79渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

J79是美國(guó)GE公司在20世紀(jì)50年代研制的，第一次地面試車臺(tái)試驗(yàn)是在1954年6月8日，第一次飛行試驗(yàn)是在1955年5月20日，1955年12月8日完成了25h的定型試車。J79用于B-58轟炸機(jī)，F(xiàn)-104、F-4與A-5戰(zhàn)斗機(jī)等，除在美國(guó)生產(chǎn)外，還在比利時(shí)、加拿大、德國(guó)、以色列、意大利及日本生產(chǎn)，在30年時(shí)間內(nèi)共生產(chǎn)17000余臺(tái)。

J79由17級(jí)壓氣機(jī)、環(huán)管式燃燒室、3級(jí)渦輪與加力燃燒室組成，是壓氣機(jī)級(jí)數(shù)最多的單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之一，如圖1所示。其壓氣機(jī)共17級(jí)，增壓比為13.5，為了擴(kuò)大壓氣機(jī)工作范圍，使其在工作包線內(nèi)不出現(xiàn)喘振，由0級(jí)到6級(jí)共7級(jí)靜子葉片是可調(diào)節(jié)的，是采用可調(diào)葉片級(jí)數(shù)最多的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

J79發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)包括：渦輪前燃?xì)鉁囟葹?205K，增壓比為13.5，推重比為4.61，中間推力為53kN，耗油率為0.087 kg/(N·h)，最大加力推力為80kN，耗油率為0.2 kg/(N·h)，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)為5.3m、直徑為1m。

圖1 J79發(fā)動(dòng)機(jī) （上圖為主機(jī)部分，下圖為加力燃燒室及可調(diào)尾噴管）

蘇聯(lián) 的R-11F-300渦 輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

R-11F-300是蘇聯(lián)圖曼斯基設(shè)計(jì)局于1953年設(shè)計(jì)的，1956年年初第一次試車，同年開(kāi)始批量生產(chǎn)，主要用于米格-21，以及蘇-15與雅克-25，有多種改型，共生產(chǎn)20900余臺(tái)。

R-11F-300是蘇聯(lián)的第一種雙轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2所示，由3級(jí)低壓壓氣機(jī)、3級(jí)高壓壓氣機(jī)、環(huán)管式燃燒室、1級(jí)高壓渦輪、1級(jí)低壓渦輪與帶可調(diào)尾噴管的加力燃燒室組成，壓氣機(jī)與渦輪共8級(jí)，是世界上級(jí)數(shù)最少的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。6級(jí)壓氣機(jī)的增壓比為8.9，平均級(jí)壓比為1.438，不僅在當(dāng)時(shí)是級(jí)壓比最高的壓氣機(jī)，現(xiàn)在也是最高的。

R-11F-300的主要性能參數(shù)包括：增壓比為8.9，渦輪前燃?xì)鉁囟葹?1228K，中間推力為38.7kN ，耗油率為 0.095kg/(N·h)，最大加力推力為60.6kN，耗油率為0.242kg/(N·h)，長(zhǎng)度為4.6m，直徑為0.906m，質(zhì)量為1124kg，推重比為 5.5。

圖2 R-11F-300發(fā)動(dòng)機(jī)總圖

R-11F-300與J79發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較

壓氣機(jī)和渦輪的級(jí)數(shù)

R-11F-300壓氣機(jī)加渦輪只有8級(jí)，J79有20級(jí)，其中還有7級(jí)可調(diào)靜葉，顯然，R-11F-300的級(jí)數(shù)比J79少12級(jí)，當(dāng)然零件少，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量輕，長(zhǎng)度短。但增壓比小，單位推力小，因此，雖然兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑相差不大，分別為0.906m和1m，但推力卻相差較大，分別為53kN和80kN；另外耗油率相差也較大，分別為0.095 kg /（N·h）和0.087 kg /（N·h），所以R-11F-300性能較差，但它能滿足飛機(jī)總體性能要求。

壓氣機(jī)葉片

R-11F-300的葉片是按小展弦比設(shè)計(jì)的，而J79的葉片是按大展弦比設(shè)計(jì)的。小展弦比的葉片寬且厚，除抗外物打擊性能與抗振動(dòng)性能較好外，氣動(dòng)性能也較好，葉片數(shù)目也較少。R-11F-300是最早采用小展弦比葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)，而英美當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)全都采用大展弦比。

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子

圖3 鼓環(huán)與輪盤用圓柱面定心緊度配合

兩型發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了盤鼓混合式轉(zhuǎn)子，但輪盤與鼓環(huán)連接方式卻不同。R-11F-300輪盤與鼓環(huán)間采用了帶緊度的止扣連接，在配合處還采用徑向銷釘，如圖3所示，使連接更牢固。這種連接方式在蘇式發(fā)動(dòng)機(jī)中采用較廣，不僅用于壓氣機(jī)盤鼓連接，也用于軸與輪盤以及渦輪。J79壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中，輪盤與鼓環(huán)間采用了多個(gè)短螺栓的連接方式（普惠公司同時(shí)期的發(fā)動(dòng)機(jī)采用多根長(zhǎng)螺栓連接）。兩種連接方式中，R-11F-300帶緊度的止扣連接零件數(shù)少、質(zhì)量輕，但組裝好后不可拆。GE公司在CF6中也采用了這種連接方式，但是沒(méi)有銷釘，說(shuō)明這種帶緊度的止扣連接在焊接轉(zhuǎn)子出現(xiàn)前是一種較好的連接方式。

壓氣機(jī)無(wú)進(jìn)口導(dǎo)向葉片

R-11F-300低壓壓氣機(jī)無(wú)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，這種設(shè)計(jì)不常見(jiàn)，目前只是在大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中采用。由于無(wú)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，于是R-11F-300的低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)被后移到第1級(jí)和第2級(jí)之間，通過(guò)第1級(jí)導(dǎo)向葉片將軸承載荷傳到機(jī)匣。

斜榫根

R-11F-300壓氣機(jī)平均級(jí)壓比較高，第1級(jí)葉片中，前緣比后緣低得較多，但葉尖處前后緣直徑相同，所以在葉根處形成了較大的斜坡，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片中是常見(jiàn)的。在R-11F-300中將葉片榫根的底部做成與葉根處斜坡平行，成了斜榫根，為此輪盤外緣做成前小后大的斜坡，裝葉片的榫槽也做成斜的，由于榫根與榫槽均做成了斜的，葉片離心力在榫槽方向有較大的槽向分力，為了鎖住葉片，需用1～2個(gè)大銷釘才能防止葉片從榫槽中竄出。西方國(guó)家的發(fā)動(dòng)機(jī)很少這么做，但在蘇聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)中卻采用較多，例如，第三代戰(zhàn)斗機(jī)蘇-27用的AL-31F第1級(jí)風(fēng)扇葉片也是做成斜榫根的。

圖5為CFM56-3的風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇輪盤圖，葉片底座與輪盤中心線有較大的傾斜角，但榫根與中心線平行，底座與榫根用中間根連成一體，這樣，葉片作用在榫根處的槽向力（在這種設(shè)計(jì)中，槽向力即軸向力）僅是氣動(dòng)力引起的，因此只需用常規(guī)的鎖片即可將葉片鎖緊在輪盤的榫槽中。

圖4 R-11F-300低 壓 壓 氣機(jī)1級(jí)工作葉片斜榫根

圖5 CFM56-3的風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇輪盤圖

中介軸承

R-11F-300低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)兩個(gè)中介軸承支承于高壓轉(zhuǎn)子中，如圖6所示。

在圖6中，低壓轉(zhuǎn)子中滾珠軸承和低壓渦輪前滾棒軸承為中介軸承，低壓壓氣機(jī)后端通過(guò)低壓轉(zhuǎn)子中滾珠軸承支承于高壓轉(zhuǎn)子中，低壓渦輪前端通過(guò)低壓渦輪前滾棒軸承支承于高壓轉(zhuǎn)子中，采用中介軸承后，使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承腔與承力框架減少，相應(yīng)的零件數(shù)也可以減少，R-11F-300是最早采用中介軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)。GE公司在F101中首次采用中介軸承，隨后在F110、F404與CFM56系列中也采用中介軸承；普惠公司直到F119中才采用；蘇聯(lián)的AL-31F與D-33也采用了中介軸承。但除了R-11F-300是將低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)中介軸承支承于剛性好且是兩支點(diǎn)的高壓轉(zhuǎn)子中，其他發(fā)動(dòng)機(jī)均是將高壓轉(zhuǎn)子通過(guò)中介軸承支承于剛性差的三支點(diǎn)低壓轉(zhuǎn)子上，帶來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題。

圖6 R-11F-300轉(zhuǎn)子支承方案

圖7 R-11F-300工作葉片用卡圈鎖緊

圖8 遄達(dá)1000中壓壓氣機(jī)葉片用鎖緊卡圈鎖緊所有葉片

圖9 J79渦輪對(duì)半開(kāi)的機(jī)匣

圖10 雙榫根葉片與普通榫根葉片的比較

用鎖緊卡圈鎖緊工作葉片

R-11F-300壓氣機(jī)中，除第1級(jí)采用銷釘鎖緊葉片外，其他5級(jí)均采用1個(gè)特制的鎖緊卡圈將所有葉片鎖緊于輪盤中的設(shè)計(jì)，如圖7所示，大大地簡(jiǎn)化了裝配工作，英美發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有采用這種結(jié)構(gòu)，只是羅羅公司在為波音787研制的遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)的中壓壓氣機(jī)葉片采用了，羅羅公司在宣傳遄達(dá)1000的資料中除附有如圖8所示的照片外，還稱這種結(jié)構(gòu)是羅羅公司的技術(shù)創(chuàng)新。

燃燒室

兩型發(fā)動(dòng)機(jī)均采用環(huán)管式燃燒室，是由管形燃燒室向環(huán)管式燃燒室過(guò)渡的首批型號(hào)。

對(duì)半開(kāi)的渦輪機(jī)匣

J79的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一是渦輪機(jī)匣做成對(duì)開(kāi)的，即機(jī)匣由上下兩半機(jī)匣組成，如圖9所示。在絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪機(jī)匣均做成整體的，沿圓周厚度是一致的，在高溫環(huán)境條件下工作時(shí)變形也是一致的，能保證葉尖間隙的均勻性。而對(duì)半開(kāi)的機(jī)匣，有縱向安裝邊，會(huì)使沿圓周剛性不均，在高溫環(huán)境下工作時(shí)，機(jī)匣沿圓周變形不一致，會(huì)造成葉尖間隙沿圓周不均。但是采用對(duì)半機(jī)匣時(shí)，會(huì)使渦輪部分的裝配變得較容易。由于J79渦輪采用對(duì)半開(kāi)的機(jī)匣，它的后繼機(jī)型如TF39、CF6的低壓渦輪也采用對(duì)半開(kāi)的機(jī)匣，而在GE的F101及其后的發(fā)動(dòng)機(jī)中均采用整環(huán)機(jī)匣。對(duì)半開(kāi)的渦輪機(jī)匣設(shè)計(jì)較難，特別是渦輪前燃?xì)鉁囟仍絹?lái)越高時(shí)，更不宜采用。

半樅樹形榫根的渦輪葉片

J79渦輪葉片榫根做得很特別，將每個(gè)葉片的榫頭只做成常規(guī)榫頭的一半，一對(duì)葉片合成一個(gè)榫頭裝在一個(gè)輪盤榫槽中，稱為雙榫根，如圖10所示。工作時(shí)兩個(gè)榫頭的結(jié)合面相互壓緊，振動(dòng)時(shí)該面上的摩擦力可以減振。

結(jié)束語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將J79與R-11F-300兩型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合比較，筆者認(rèn)為R-11F-300的設(shè)計(jì)應(yīng)該比J79好，因?yàn)樗募?jí)數(shù)少，零件數(shù)目少，質(zhì)量輕，推重比大（R-11F-300為5.5, J79為4.61），而且采用了許多在當(dāng)時(shí)是創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，例如，小展弦比壓氣機(jī)葉片，轉(zhuǎn)子的盤與鼓環(huán)等的連接采用帶緊度的止扣配合，中介軸承，環(huán)形卡環(huán)鎖緊整級(jí)葉片等，其中有些設(shè)計(jì)在10年或20年以后才在其他英美發(fā)動(dòng)機(jī)中采用。但是它的增壓比小，耗油率高及單位推力??；翻修壽命與總壽命短等是其欠缺之處。