高涵道比大型渦輪風扇發動機，使寬體客機實現了不著陸『越洋』飛行|陳光談航發34

07-20

文/陳光編輯/喬善勛

20世紀60年代初期，已發展了一些性能優異的低涵道比渦輪風扇發動機，但是這些發動機卻遠不能滿足美國空軍及民用航空運輸業提出的發展遠程戰略運輸機及遠程大型寬體機身旅客機的需求。

圖5-17A、TF39高涵道比渦輪風扇發動機

以美國空軍發展大型飛機的計劃為例，當時，美國空軍提出發展遠程戰略大型運輸機計劃，要求這種飛機能一次運載包括直升機、大型坦克、吉普車、大型橋樑等在內的軍用裝備飛行10000公里以上。

典型的裝載方案有：350名全副武裝士兵，或6架「黑鷹」AH-64武裝直升機，或16輛3~4噸載重卡車等。

為此，就必須研製一種機身較寬、起飛總重在350噸左右的大型飛機，其載油量約為150噸，有效載重約120噸。為滿足這種飛機的要求，需要推力約為20000拾牛(約20400公斤力)、耗油率比小涵道比渦輪風扇發動機大約低1/3的渦輪風扇發動機。

顯然，對於上述這些要求，採取由波音707等旅客機所用的小涵道比渦輪風扇發動機改進衍生的辦法是無法滿足的，只能採取發展一種全新的發動機來達到。

於是在廣泛應用各種先進技術的基礎上，採用了三高的循環參數：高的涵道比(5-8)、高的總壓比(30左右)、高的渦輪前燃氣溫度(1327～1377℃)，最終研製成功了稱之為「高涵道比渦輪風扇發動機」的新一代發動機。

1969年美國通用電氣公式研製成功涵道比為8.0、推力為19120拾牛（19496公斤力）的TF39-GE-1C發動機，並裝在由洛克希德公司生產的遠程戰略運輸機C-5A上交付美國空軍投入使用，標誌著一種全新的大發動機和遠程戰略運輸機從此誕生了。

圖5-17A為用於C-5A的TF39發動機，其涵道比是20世紀70～80年代渦輪風扇發動機中的最高者。TF39研製工作始於1965年初，當年12月首台發動機進行地面試車，1969年10月正式定型，是當時研製的幾型高涵道比渦輪風扇發動機中最先投入使用的發動機。

圖5-17B、C-5A「銀河」大型軍用運輸機

圖5-17B為C-5A「銀河」大型軍用運輸機，這是當前美國空軍中最大的運輸機，C-5A於1968年6月30日首次進行飛行試驗，首批飛機於1969年12月交付美國空軍使用。C-5A的機頭可以向上打開，以便大型車輛等可以駛入貨艙；

機身後下方也做有向下開啟的門，當門放下時就成為車輛或其它裝備進入貨艙的跨橋。從圖5-17B可以看出軍用卡車正由打開的機頭向外駛出的情況，由此也可看出該飛機的大小了。

當年參加研製這種飛機的投標商有美國的三大著名的飛機製造商：波音、洛克希德和道格拉斯公司，在美空軍選中洛克希德公司的方案後，這三家公司均以參與投標的方案為基礎，研製出新一代寬機身的大型旅客機（每排安排8～10個座位，以往的旅客機為每排只有5～6座），能乘坐350-450名乘客、航行10000公里：如波音747、DC-10、L1011等。

圖5-18示出了寬體客機與以往的常規客機機身截面比較的示意圖。

圖5-18 、波音747與波音707/737機身截面比較

為了向這種新一代寬體客機提供適用的動力，世界上三大著名航空發動機公司：英國的羅·羅公司，美國的通用電氣公司和普·惠公司，分別研製了全新的RB211、CF6、JT9D高涵道比渦輪風扇發動機。

圖5-19示出了高涵道比渦輪風扇發動機的簡圖。

圖5-19、高涵道比渦輪風扇發動機簡圖

由圖5-19可以看出，在發動機壓氣機前安裝了一個直徑很大的風扇，發動機工作時，風扇能吸入比低涵道比渦輪風扇發動機大很多的空氣量。

在涵道比為5的渦輪風扇發動機中，由風扇流出的空氣流，大部分（佔總進氣量的5/6）由外涵道流過，僅1/6的空氣流由內涵道流過，外涵道產生的推力約佔發動機推力的80%。

對於直徑大、吸入空氣量大的風扇，需要由能產生極大功率的低壓渦輪來驅動。

因此，一方面需要在高壓渦輪出口處向低壓渦輪提供高的能量，這不僅需改進各部件設計，提高效率，而且還需採用高的循環參數，即高的總壓比（30左右）、高的渦輪前燃氣溫度（約1327～1377℃），這些都是要採用當時最先進的技術（包括新的設計方法、新材料、新工藝、先進的調節系統等）才可能實現的；

另外，還需增加低壓渦輪的級數（一般為3～7級）來達到。由於在低壓渦輪中燃氣能量幾乎消耗殆盡，使尾噴管出口處的燃氣溫度、速度均較低，排出發動機的能量較少。

圖5-20、涵道比為5.0的高涵道比渦輪風扇發動機

另一方面，在高涵道比渦輪風扇發動機中，流入發動機的空氣流量比低涵道比渦輪風扇發動機大很多（例如，高涵道比渦輪風扇發動機RB211-22B的空氣流量為低涵道比民用斯貝渦輪風扇發動機的6.6倍），發動機的推力（主要由風扇產生）比低涵道比渦輪風扇發動機也大很多（例如，RB211-22B的推力為民用斯貝的3.5倍），其結果是耗油率大大低於低涵道比渦輪風扇發動機，約為後者的2/3。

由於尾噴管出口的流速比較低，排氣產生的雜訊不高，相反，大風扇產生的雜訊卻成為高涵道比渦輪風扇發動機的主要雜訊源，需在風扇機匣上採取鑲嵌吸音襯套等降低雜訊的措施。

圖5-21、高涵道比渦輪風扇發動機排氣方式

圖5-20為典型的涵道比為5.0的高涵道比渦輪風扇發動機。在一級大直徑的風扇後，流進發動機的空氣的5/6由外涵道流出，這股空氣稱為外涵氣流；

其餘1/6的空氣經增壓壓氣機增壓後流入高壓壓氣機，最後由低壓渦輪後流出發動機，這股氣流稱為內涵氣流，它所流過的通道即增壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪的流道為內涵道。

增壓壓氣機的轉子固定在風扇輪盤上，並隨風扇一起轉動，用以將流入高壓壓氣機的空氣進一步增壓，以提高發動機的總壓比及內涵的空氣流量。

內涵空氣流量增加，可以增加發動機的推力；總壓比提高，可提高發動機效率，能降低發動機耗油率及提高發動機推力。因此，採用增壓壓氣機是高涵道比渦輪風扇發動機中提高發動機推力、降低耗油率的重要措施。

早期的高涵道比渦輪風扇發動機中，一般增壓壓氣機僅為2、3級，隨著發動機推力不斷增加，增壓壓氣機的級數也在增加，例如普·惠公司的PW4000系列發動機中，1992年1月取證的PW4062（推力為27600拾牛）增壓壓氣機為4級，而1998年3月取證的PW4098（推力為43600拾牛），不僅風扇直徑加大了，而且增壓壓氣機也增加成7級了。

由於風扇需要大的功率來傳動，因此驅動風扇的低壓渦輪級數較多，一般為3～5級。隨著發動機推力的增加，如同增壓壓氣機一樣，其級數也是增加的，例如前述的PW4062為4級，而PW4098則增加到7級。

圖5-22、波音747旅客機—世界上第一種寬體客機

從第1種高涵道比渦輪風扇發動機問世到20世紀80年代中期，幾乎無例外的均採用外涵道冷氣流與內涵道高溫燃氣流分別排出（也稱平行排出）的方式，採用這種方式的設計，結構簡單、零件數少、重量較輕。

但是，自從1985年羅·羅公司的RB211-535E4（用于波音757）採用共用噴管（也稱整體噴管）後，一些新研製的高涵道比渦輪風扇發動機紛紛採用了這種結構。

採用共用噴管時，外涵道（風扇）的冷氣流經過位於低壓渦輪的摻混器流入內涵道的流道中，與內涵道的高溫燃氣摻混後再由尾部的共用噴管排出。

這樣，可以降低排氣溫度、速度，因而可進一步降低耗油率（約降低4%）及雜訊；

另外，當飛機著陸打開反推力裝置剎車時，反推力比在平行排出時的要大。但是它的結構複雜、零件多，重量大，因此，用於遠程飛機的發動機宜採用共用噴管，因為它節約的燃油重量大於噴管結構的增重，對航空公司有利。

相反，在短航程飛機用的發動機中，如也採用共用噴管，則發動機增加的噴管重量大於節約下來的燃油重量，對航空公司營運不利。圖5-21示出了高涵道比渦輪風扇發動機的排氣方式。

圖5-23、DC-10三發大型旅客機

1970年1月22日裝有4台涵道比為5.2、推力為19320拾牛(19710公斤力)的JT9D-3型高涵道比渦輪風扇發動機的大型、寬體遠程旅客機波音747-100投入航線使用；

隨後裝有高涵道比渦輪風扇發動機CF6-6的DC-10大型遠程旅客機於1971年8月投入使用；

以及裝高涵道比渦輪風扇發動機RB211-22B的L1011大型遠程旅客機於1972年4月26日投入航線使用等，為高涵道比渦輪風扇發動機在大型旅客機上的應用開闢了道路，大大地改變了航空運輸的面貌，揭開了世界航空運輸事業實現不著陸「越洋」飛行的新篇章。

圖5-22、5-23、5-24分別示出了改變世界民航運輸業面貌的波音747、DC-10、L1011三種大型旅客機。

圖5-24、L1011「三星」三發大型旅客機

美國總統專用的「空軍一號」專機，在20世紀90年代用波音747寬體客機替換了原用的波音707窄體客機，圖5-25為停放在北京首都機場的「空軍一號」。

圖5-25、停在北京首都機場的美國「空軍一號」總統專機

在此之後，美國和歐洲發展了各種推力檔次的高涵道比渦輪風扇發動機，以滿足新的、各種型號旅客機如A300、A310、A319、A320、A321、A330、A340；

B757、B767、B777，MD-11等的要求，以及用於對老式客機的改造工程，例如B737-200旅客機原裝用低涵道比渦輪風扇發動機JT8D，後來採用高涵道比渦輪風扇發動機CFM56-3（圖5-26）換裝，改型為B737-300、-400，一直發展到-900型；

DC-8也作了類似的換髮。表5-3示出了DC-8四發旅客機用高涵道比渦輪風扇發動機CFM56-2換裝JT8D低涵道比渦輪風扇發動機後，客機性能得到改善的情況，由這一例中也可看出高涵道比渦輪風扇發動機的突出特點。

到了20世紀90年代後期，連稍大一些的支線客機如B717、A318等也採用了高涵道比渦輪風扇發動機。

表5-3 DC-8四發客機用CFM56-2換裝JT8D後性能的改善

很顯然，如果沒有這些新一代的高涵道比渦輪風扇發動機，戰略遠程運輸機C-5A、遠程寬體旅客機波音747、DC-10、L1011等飛機是不可能出現的。

圖5-26、CFM56-3高涵道比渦輪風扇發動機

2001年11月19日美國GE公司為波音777大型雙發旅客機改進型研製的GE90-115B高涵道比渦輪風扇發動機，在試車中推力達到了53600拾牛(54620公斤力)，是當時世界上推力最大的發動機，其推力為用于波音747的發動機的2倍以上，被收入吉尼斯世界紀錄中，這是當時唯一被收入吉尼斯世界紀錄的航空發動機，GE公司也成為第一家獲此殊榮的公司。

圖5-27、GE90-115B－世界上推力最大的發動機

圖5-27為巴黎航展上展出的世界上推力最大的發動機GE90-115B，從照片上的參觀者與發動機進口一比較，可以想像出發動機龐然大物的軀體有多大了。

圖5-28、波音777-300ER－世界上最重的雙發客機

2003年5月20日，以GE90-115B為動力的波音777-300ER（延長航程型）創造了雙發飛機起飛重量351.3噸的世界紀錄，原世界紀錄為波音777－300型於1997年創造的307.9噸，圖5-28為裝有GE90-115B發動機的波音777-300ER大型雙發旅客機。