20世紀(jì)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(yīng)的發(fā)動機型別也較多。通過比較分析其典型結(jié)構(gòu)設(shè)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(jì)60年代世界三大高性能戰(zhàn)斗機。

其中，美國F-104的設(shè)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(shè)計于1956年，最初是為美國海軍設(shè)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(shè)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(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機，以后的型號則采用R-13-300雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機，兩者結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jì)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(zhuǎn)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?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(shè)計局于1953年設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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?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(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)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(shè)計的，而J79的葉片是按大展弦比設(shè)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(dāng)時的發(fā)動機全都采用大展弦比。

壓氣機轉(zhuǎn)子

圖3 鼓環(huán)與輪盤用圓柱面定心緊度配合

兩型發(fā)動機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(zhuǎn)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(zhuǎn)子出現(xiàn)前是一種較好的連接方式。

壓氣機無進口導(dǎo)向葉片

R-11F-300低壓壓氣機無進口導(dǎo)向葉片，這種設(shè)計不常見，目前只是在大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機中采用。由于無進口導(dǎo)向葉片，于是R-11F-300的低壓壓氣機轉(zhuǎn)子前支點被后移到第1級和第2級之間，通過第1級導(dǎo)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(jié)構(gòu)在現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)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(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(fēng)扇葉片與風(fēng)扇輪盤圖

中介軸承

R-11F-300低壓轉(zhuǎn)子通過兩個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，低壓壓氣機后端通過低壓轉(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，使整臺發(fā)動機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(zhuǎn)子通過中介軸承支承于剛性好且是兩支點的高壓轉(zhuǎn)子中，其他發(fā)動機均是將高壓轉(zhuǎn)子通過中介軸承支承于剛性差的三支點低壓轉(zhuǎn)子上，帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些問題。

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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)是羅羅公司的技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計較難，特別是渦輪前燃?xì)鉁囟仍絹碓礁邥r，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(jié)合面相互壓緊，振動時該面上的摩擦力可以減振。

結(jié)束語

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上將J79與R-11F-300兩型發(fā)動機進行綜合比較，筆者認(rèn)為R-11F-300的設(shè)計應(yīng)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(dāng)時是創(chuàng)新的設(shè)計，例如，小展弦比壓氣機葉片，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)鎖緊整級葉片等，其中有些設(shè)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?。环迚勖c總壽命短等是其欠缺之處。