新型超音速噴氣式發動機

胡顯澄

(廣東 廣州 510000)

目前航空領域采用的噴氣式發動機都是使用渦輪式旋轉壓縮機。經過幾十年的發展，它能增壓已到極限。在目前情況下要它作超音速發動機的動力唯有用燃料加熱排氣溫度以提高噴氣速度。這樣十分耗費燃料。不宜長期使用。作為超音速飛行用的噴氣式發動機一定要提高壓縮空氣的壓力。要有高壓力壓縮空氣經燃燒后才能得到超聲速飛行所需要的速度。要增加渦輪式壓縮機的壓力只有增加它的級數。由于每級增壓甚微從目前的制造技術要造出超音速發動機極為困難。要發展經濟有效的超音速發動機一定要造出排氣量大而且排氣壓力十分高的壓縮機才能達到要求。本文從新探討新壓縮機的可能性。希望能得到實踐。

渦輪式壓縮機的優點是它能有效產生大量壓縮空氣。它的不足之處是每級增壓甚微。要數十級仍未增壓到要作超聲速飛行所需的壓力。因此仍未有經濟的超聲速客機在天空飛行。現在從另一種壓縮機考慮。離心式空氣壓縮機也曾用于噴氣式發動機上。初期的噴氣發動機也有采用離心式空氣壓縮機。如二戰后美國的F80型噴氣機。它的優點是單級壓力隨轉速增加而倍增。它只要單級就可以提增壓力作亞音速飛行。它的缺點是效率低風量少以致為渦輪壓縮機取代。目前只有用于巡航導彈之類小型噴氣機采用。現在提出新型高壓大容量而效率高的空氣壓縮機作商討。它有可能為經濟型超音速飛機的動力。

離心壓縮機種類繁多，在容量大小與壓力高低可以采用不同型號的機種。容量大的機種能產生的風壓比較低。要產生高壓力可以串級。目前工業上使用的大容量高風壓的壓縮機都是采用多級串接成的離心式壓縮機。但串級離心式壓縮機效率十分低、耗費能量大，原因是它的級間連接方式使氣流流動時遇到很大阻力。因此它不能用于航空發動機上。對現有的串級離心式壓縮機從結構上進行改進，使其級間串接對氣流的阻力減到最少是為串級離心式壓縮機用于航空發動機的唯一出路。新型串級離心壓縮機串接按流體力學原理盡量減少機體造型對氣流產生的阻力。連接方式如下圖所示：

前級離心機外殼設計成流線式蝸殼，將離心葉輪產生的氣體均勻導流到下一級離心葉輪。下級離心葉輪的進口外殼也設計成流線蝸殼將上級的氣體順導到葉輪進口。由于采用雙蝸殼級間氣流速度均勻而沒有急轉彎氣體遇到的阻力可以減少到最低。其實離心式壓縮機每級能產生的氣壓遠比渦輪機高，而且壓力隨轉速增大而成倍增大。目前只是它串級不合理而比不上渦輪壓縮機。如解決了它級間的連接時對氣流產生的巨大阻力。它將成為超聲速噴氣機唯一的經濟型機種，作為串級離心機航空用機型，宜采用下面結構形式。

空氣壓縮機為雙軸多級離心壓縮機串接而成。葉輪分別并排裝在兩根平行軸上。前一級離心葉輪的氣體由渦殼導流接到另一根軸下級葉輪進口。兩根軸上的葉輪導向通導交錯成雙螺旋線。最后出口接入燃燒空，經燃料加熱成高溫氣體通過渦輪帶動離心機后由尾部排出。氣體排出的速度由要飛行的速度而定，最好要比飛行速度大兩倍以上。排氣的速度取決于排氣壓力與溫度。也就直接決定了壓縮機的型號級數與旋轉速度。如果壓縮機超過六級而制造困難時，可以采取另一類壓縮機。

活塞式壓縮機是提升氣壓最理想機種。它一次就可以將氣體壓縮到16個大氣壓，是其他機種無可比擬。只是它容量太小，不宜用于航空上。如能將十多個大型活塞壓縮機緊湊輕考地如下面所示，它是有可能成另一中超音速發動機。

如圖所示它是由十六個活塞空氣壓縮機和8個兩沖程對裝活塞柴油發動機組成。活塞與柴油發動機通過斜輪與連桿連接。斜輪發動機早在四十年代已問世。它是協調各活塞運行的機件。各活塞產生的氣體接到燃燒室加熱后由噴管噴出，噴管的壓力決定于燃燒室的壓力與溫度。由于活塞可以提升到十多個氣壓以上再加上燃燒室將氣體提升溫度到400℃～500℃以上氣體的速度足以提升到兩倍聲速。

這兩種空氣壓縮機是從現有機種改進而成，而且從理論與實踐都是可行的。將來有一天出現的超音速客機可能就是這兩種發動機一。