美蘇第二代戰(zhàn)斗機用發(fā)動機結構設計對比

20世紀50年代，美蘇兩國均發(fā)展了大批軍用飛機，包括戰(zhàn)斗機、轟炸機、軍用運輸機與偵察機等，相應的發(fā)動機型別也較多。通過比較分析其典型結構設計，可以大致判斷出美蘇第二代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的不同特點。

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

其中，美國F-104的設計工作始于1951年，原型機于1954年3月4日首飛，1958年2月20日投入使用。該機有多種改型，共生產(chǎn)2578架，所采用的發(fā)動機為GE公司的J79加力式渦噴發(fā)動機，另一型雙發(fā)雙座的F-4“鬼怪”戰(zhàn)斗機也采用J79發(fā)動機作動力。F-4設計于1956年，最初是為美國海軍設計的，后來也被空軍所采用。其原型機于1958年5月27日首飛，1960年12月30日交付美國海軍，1963年11月交付空軍。該機也有多種改型，共生產(chǎn)了5159架。

與F-104齊名的同時代蘇聯(lián)米格-21戰(zhàn)斗機于1953年設計，原型機于1955年首飛，1958年投入使用，共生產(chǎn)11496架，有多個改型，其初始型號所用發(fā)動機為R-11F-300雙轉子渦噴發(fā)動機，以后的型號則采用R-13-300雙轉子渦噴發(fā)動機，兩者結構基本相同，只是后者的高壓壓氣機由3級增為5級。

F-104、F-4與米格-21均屬于第二代戰(zhàn)斗機。因此，J79與R-11F-300是同時代兩型發(fā)動機。本文對美國用于F-104與F-4戰(zhàn)斗機的J79發(fā)動機與蘇聯(lián)用于米格-21戰(zhàn)斗機的R-11F-300發(fā)動機從主要參數(shù)（見表1）和結構設計上進行對比分析。

表1 R-11F-300與J79發(fā)動機主要參數(shù)比較

美國的J79渦輪噴氣發(fā)動機

J79是美國GE公司在20世紀50年代研制的，第一次地面試車臺試驗是在1954年6月8日，第一次飛行試驗是在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，F(xiàn)-104、F-4與A-5戰(zhàn)斗機等，除在美國生產(chǎn)外，還在比利時、加拿大、德國、以色列、意大利及日本生產(chǎn)，在30年時間內(nèi)共生產(chǎn)17000余臺。

J79由17級壓氣機、環(huán)管式燃燒室、3級渦輪與加力燃燒室組成，是壓氣機級數(shù)最多的單轉子渦噴發(fā)動機之一，如圖1所示。其壓氣機共17級，增壓比為13.5，為了擴大壓氣機工作范圍，使其在工作包線內(nèi)不出現(xiàn)喘振，由0級到6級共7級靜子葉片是可調(diào)節(jié)的，是采用可調(diào)葉片級數(shù)最多的發(fā)動機之一。

J79發(fā)動機性能參數(shù)包括：渦輪前燃氣溫度為1205K，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)動機長為5.3m、直徑為1m。

圖1 J79發(fā)動機 （上圖為主機部分，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)動機

R-11F-300是蘇聯(lián)圖曼斯基設計局于1953年設計的，1956年年初第一次試車，同年開始批量生產(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。

R-11F-300是蘇聯(lián)的第一種雙轉子渦輪噴氣發(fā)動機，如圖2所示，由3級低壓壓氣機、3級高壓壓氣機、環(huán)管式燃燒室、1級高壓渦輪、1級低壓渦輪與帶可調(diào)尾噴管的加力燃燒室組成，壓氣機與渦輪共8級，是世界上級數(shù)最少的雙轉子發(fā)動機。6級壓氣機的增壓比為8.9，平均級壓比為1.438，不僅在當時是級壓比最高的壓氣機，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，渦輪前燃氣溫度為 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)動機總圖

R-11F-300與J79發(fā)動機結構設計的比較

壓氣機和渦輪的級數(shù)

R-11F-300壓氣機加渦輪只有8級，J79有20級，其中還有7級可調(diào)靜葉，顯然，R-11F-300的級數(shù)比J79少12級，當然零件少，發(fā)動機質(zhì)量輕，長度短。但增壓比小，單位推力小，因此，雖然兩型發(fā)動機的直徑相差不大，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，但它能滿足飛機總體性能要求。

壓氣機葉片

R-11F-300的葉片是按小展弦比設計的，而J79的葉片是按大展弦比設計的。小展弦比的葉片寬且厚，除抗外物打擊性能與抗振動性能較好外，氣動性能也較好，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)動機，而英美當時的發(fā)動機全都采用大展弦比。

壓氣機轉子

圖3 鼓環(huán)與輪盤用圓柱面定心緊度配合

兩型發(fā)動機均采用了盤鼓混合式轉子，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)動機中采用較廣，不僅用于壓氣機盤鼓連接，也用于軸與輪盤以及渦輪。J79壓氣機轉子中，輪盤與鼓環(huán)間采用了多個短螺栓的連接方式（普惠公司同時期的發(fā)動機采用多根長螺栓連接）。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，但是沒有銷釘，說明這種帶緊度的止扣連接在焊接轉子出現(xiàn)前是一種較好的連接方式。

壓氣機無進口導向葉片

R-11F-300低壓壓氣機無進口導向葉片，這種設計不常見，目前只是在大涵道比渦輪風扇發(fā)動機中采用。由于無進口導向葉片，于是R-11F-300的低壓壓氣機轉子前支點被后移到第1級和第2級之間，通過第1級導向葉片將軸承載荷傳到機匣。

斜榫根

R-11F-300壓氣機平均級壓比較高，第1級葉片中，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，這種結構在現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機風扇葉片中是常見的。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個大銷釘才能防止葉片從榫槽中竄出。西方國家的發(fā)動機很少這么做，但在蘇聯(lián)的發(fā)動機中卻采用較多，例如，第三代戰(zhàn)斗機蘇-27用的AL-31F第1級風扇葉片也是做成斜榫根的。

圖5為CFM56-3的風扇葉片與風扇輪盤圖，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（在這種設計中，槽向力即軸向力）僅是氣動力引起的，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1級工作葉片斜榫根

圖5 CFM56-3的風扇葉片與風扇輪盤圖

中介軸承

R-11F-300低壓轉子通過兩個中介軸承支承于高壓轉子中，如圖6所示。

在圖6中，低壓轉子中滾珠軸承和低壓渦輪前滾棒軸承為中介軸承，低壓壓氣機后端通過低壓轉子中滾珠軸承支承于高壓轉子中，低壓渦輪前端通過低壓渦輪前滾棒軸承支承于高壓轉子中，采用中介軸承后，使整臺發(fā)動機的軸承腔與承力框架減少，相應的零件數(shù)也可以減少，R-11F-300是最早采用中介軸承的發(fā)動機。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是將低壓轉子通過中介軸承支承于剛性好且是兩支點的高壓轉子中，其他發(fā)動機均是將高壓轉子通過中介軸承支承于剛性差的三支點低壓轉子上，帶來結構設計的一些問題。

圖6 R-11F-300轉子支承方案

圖7 R-11F-300工作葉片用卡圈鎖緊

圖8 遄達1000中壓壓氣機葉片用鎖緊卡圈鎖緊所有葉片

圖9 J79渦輪對半開的機匣

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壓氣機中，除第1級采用銷釘鎖緊葉片外，其他5級均采用1個特制的鎖緊卡圈將所有葉片鎖緊于輪盤中的設計，如圖7所示，大大地簡化了裝配工作，英美發(fā)動機沒有采用這種結構，只是羅羅公司在為波音787研制的遄達1000發(fā)動機的中壓壓氣機葉片采用了，羅羅公司在宣傳遄達1000的資料中除附有如圖8所示的照片外，還稱這種結構是羅羅公司的技術創(chuàng)新。

燃燒室

兩型發(fā)動機均采用環(huán)管式燃燒室，是由管形燃燒室向環(huán)管式燃燒室過渡的首批型號。

對半開的渦輪機匣

J79的結構設計特點之一是渦輪機匣做成對開的，即機匣由上下兩半機匣組成，如圖9所示。在絕大多數(shù)發(fā)動機中，渦輪機匣均做成整體的，沿圓周厚度是一致的，在高溫環(huán)境條件下工作時變形也是一致的，能保證葉尖間隙的均勻性。而對半開的機匣，有縱向安裝邊，會使沿圓周剛性不均，在高溫環(huán)境下工作時，機匣沿圓周變形不一致，會造成葉尖間隙沿圓周不均。但是采用對半機匣時，會使渦輪部分的裝配變得較容易。由于J79渦輪采用對半開的機匣，它的后繼機型如TF39、CF6的低壓渦輪也采用對半開的機匣，而在GE的F101及其后的發(fā)動機中均采用整環(huán)機匣。對半開的渦輪機匣設計較難，特別是渦輪前燃氣溫度越來越高時，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，將每個葉片的榫頭只做成常規(guī)榫頭的一半，一對葉片合成一個榫頭裝在一個輪盤榫槽中，稱為雙榫根，如圖10所示。工作時兩個榫頭的結合面相互壓緊，振動時該面上的摩擦力可以減振。

結束語

從結構設計上將J79與R-11F-300兩型發(fā)動機進行綜合比較，筆者認為R-11F-300的設計應該比J79好，因為它的級數(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時是創(chuàng)新的設計，例如，小展弦比壓氣機葉片，轉子的盤與鼓環(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)鎖緊整級葉片等，其中有些設計在10年或20年以后才在其他英美發(fā)動機中采用。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。