新型超音速喷气式发动机

2012-07-30胡显澄

中国新技术新产品 2012年12期

胡显澄

(广东广州 510000)

目前航空领域采用的喷气式发动机都是使用涡轮式旋转压缩机。经过几十年的发展，它能增压已到极限。在目前情况下要它作超音速发动机的动力唯有用燃料加热排气温度以提高喷气速度。这样十分耗费燃料。不宜长期使用。作为超音速飞行用的喷气式发动机一定要提高压缩空气的压力。要有高压力压缩空气经燃烧后才能得到超声速飞行所需要的速度。要增加涡轮式压缩机的压力只有增加它的级数。由于每级增压甚微从目前的制造技术要造出超音速发动机极为困难。要发展经济有效的超音速发动机一定要造出排气量大而且排气压力十分高的压缩机才能达到要求。本文从新探讨新压缩机的可能性。希望能得到实践。

涡轮式压缩机的优点是它能有效产生大量压缩空气。它的不足之处是每级增压甚微。要数十级仍未增压到要作超声速飞行所需的压力。因此仍未有经济的超声速客机在天空飞行。现在从另一种压缩机考虑。离心式空气压缩机也曾用于喷气式发动机上。初期的喷气发动机也有采用离心式空气压缩机。如二战后美国的F80型喷气机。它的优点是单级压力随转速增加而倍增。它只要单级就可以提增压力作亚音速飞行。它的缺点是效率低风量少以致为涡轮压缩机取代。目前只有用于巡航导弹之类小型喷气机采用。现在提出新型高压大容量而效率高的空气压缩机作商讨。它有可能为经济型超音速飞机的动力。

离心压缩机种类繁多，在容量大小与压力高低可以采用不同型号的机种。容量大的机种能产生的风压比较低。要产生高压力可以串级。目前工业上使用的大容量高风压的压缩机都是采用多级串接成的离心式压缩机。但串级离心式压缩机效率十分低、耗费能量大，原因是它的级间连接方式使气流流动时遇到很大阻力。因此它不能用于航空发动机上。对现有的串级离心式压缩机从结构上进行改进，使其级间串接对气流的阻力减到最少是为串级离心式压缩机用于航空发动机的唯一出路。新型串级离心压缩机串接按流体力学原理尽量减少机体造型对气流产生的阻力。连接方式如下图所示：

前级离心机外壳设计成流线式蜗壳，将离心叶轮产生的气体均匀导流到下一级离心叶轮。下级离心叶轮的进口外壳也设计成流线蜗壳将上级的气体顺导到叶轮进口。由于采用双蜗壳级间气流速度均匀而没有急转弯气体遇到的阻力可以减少到最低。其实离心式压缩机每级能产生的气压远比涡轮机高，而且压力随转速增大而成倍增大。目前只是它串级不合理而比不上涡轮压缩机。如解决了它级间的连接时对气流产生的巨大阻力。它将成为超声速喷气机唯一的经济型机种，作为串级离心机航空用机型，宜采用下面结构形式。

空气压缩机为双轴多级离心压缩机串接而成。叶轮分别并排装在两根平行轴上。前一级离心叶轮的气体由涡壳导流接到另一根轴下级叶轮进口。两根轴上的叶轮导向通导交错成双螺旋线。最后出口接入燃烧空，经燃料加热成高温气体通过涡轮带动离心机后由尾部排出。气体排出的速度由要飞行的速度而定，最好要比飞行速度大两倍以上。排气的速度取决于排气压力与温度。也就直接决定了压缩机的型号级数与旋转速度。如果压缩机超过六级而制造困难时，可以采取另一类压缩机。

活塞式压缩机是提升气压最理想机种。它一次就可以将气体压缩到16个大气压，是其他机种无可比拟。只是它容量太小，不宜用于航空上。如能将十多个大型活塞压缩机紧凑轻考地如下面所示，它是有可能成另一中超音速发动机。

如图所示它是由十六个活塞空气压缩机和8个两冲程对装活塞柴油发动机组成。活塞与柴油发动机通过斜轮与连杆连接。斜轮发动机早在四十年代已问世。它是协调各活塞运行的机件。各活塞产生的气体接到燃烧室加热后由喷管喷出，喷管的压力决定于燃烧室的压力与温度。由于活塞可以提升到十多个气压以上再加上燃烧室将气体提升温度到400℃～500℃以上气体的速度足以提升到两倍声速。