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爱迪生发明的电灯泡,竟然演变出这么大一个航发公司
2020-02-12           作者: 航空知识

文/晨枫

爱迪生发明的电灯泡,竟然演变出这么大一个航发公司

 


 

美国通用电气公司简称GE,早年曾直译为“奇异”。爱迪生是通用电气的创始人之一,他的公司与其他公司合并,在1892年成为通用电气。1903年,莱特兄弟发明了现代飞机,通用电气则在1919年涉足航空动力,但要到1941年才制造第一台航空发动机。


 

爱迪生发明的电灯泡,竟然演变出这么大一个航发公司

 


 

喷气时代之前,航空发动机是活塞式的天下,不管是直列、V形还是星形,四冲程是基本技术,与汽车发动机没有本质的不同。普拉特-惠特尼是从活塞式发动机开始的,罗尔斯-罗伊斯索性从造汽车起家。但早年的通用电气还真是专攻电气的:发电、输电和各种电机电器,从电炉、电熨斗、电灯泡到各种电动机,无所不包,就是没参与活塞式发动机的研发和制造。

人们很早就发现,如果对进气增压,同样体积的活塞式发动机在每一个冲程循环中都能吸入更多空气,也就意味着可以喷注更多燃料,产生更大的出力。增压出现机械增压和涡轮增压。前者从发动机转轴上直接引出动力,驱动增压装置;后者用废气涡轮驱动增压装置。历史上首先有机械增压,在欧洲使用较多。涡轮增压在二战前夜才实用化,在美国使用较多。机械增压结构简单,发动机一转动,增压效果立刻显现,但功率损失较大。涡轮增压将高温高压排气中的能量转换为动力,功率损失小。在寒冷低压的高空使用,效果尤其显著,对强调高空高速的二战时代特别重要,成为战时美国航空动力的秘密武器。

废气涡轮与蒸汽涡轮在技术上是相通的。通用电气凭借其汽轮机叶片、涡轮和热端技术优势,在1919年开始涉足涡轮增压,建立了通用电气航空分部,距今正好100年。不过战前的通用电气双管齐下,机械增压和涡轮增压通吃,但依然属于航发附件。


 

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英国人弗兰克·惠特尔和德国人汉斯·冯·奥海恩分别发明了喷气式发动机。奥海恩的设计最终导致梅塞施密特Me 262,这是世界上第一种投入实战的喷气式战斗机。惠特尔的设计最终导致格洛斯特“流星”,但问世晚了一步,投入实战时,二战已经尾声了。


 

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美国没有自己的喷气发动机设计,但惠特尔的发动机在格洛斯特E29上试飞才一个月,美国陆航参谋长阿诺德上将就获准检视。深陷战火的英国担心惠特尔和他的发动机最后落入德国之手,正在考虑把研发搬到加拿大,阿诺德提出由美国接手,英国同意了。


 

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阿诺德特意避开传统的航发老字号普拉特-惠特尼和莱特,以避免干扰战时生产。喷气发动机也与活塞式区别太大,但与涡轮有关。基于通用电气在涡轮机械方面的经验,阿诺德责令其仿造惠特尔的设计,并在此基础上进一步发展。通用电气的涡轮增压团队立刻投入紧张的工作,在惠特尔W.1X样机和W.2B图纸的基础上,研发了GE1-A,并在1941年4月第一次试车。从此,通用电气成为航发世界的劲旅。

惠特尔的设计还很粗糙,有很多细化、优化的余地。通用电气马上从工艺、材料和设计全面入手,研发了一系列改进型,最终推出I-40“超级喷气”涡喷,以后正式定名为J33,成为洛克希德P-80的动力,这也是传奇式的洛克希德“臭鼬工厂”的第一个手笔。不过战时通用电气自己忙不过来,J33的生产转交给通用汽车属下的艾利逊发动机公司进行。

惠特尔的设计奠定了早期英美系涡喷的基本技术路线,其中重要一点是离心式压气机。离心式压气机的体积小,重量轻,结构简单,增压比高,但流量限制较大,最终限制发动机的推力。轴流式压气机的特点相反,但最终由于空气流量大的特点而适合用于大推力喷气发动机。现代喷气发动机除了小推力的微型涡喷或者涡轴,基本上都用轴流式压气机。


 

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轴流式压气机的基本特点不是秘密,但战时英国没有足够的技术力量和资源与离心式压气机齐头并进。但这对兵强马壮的通用电气不是问题,在推动I-40的同时,并行推动轴流式压气机的TG180涡喷,后定名为J35,用于包括F-84和FJ-1在内的多种军用飞机。J35也是第一种具有加力设计的量产喷气发动机。不过此时通用电气依然在产能上顾不过来,J35的生产同样转交通用汽车属下的雪佛莱分部,后转交艾利逊。

J33和J35是通用电气设计的,但还不是通用电气制造的。1946年开始设计的J47才是通用电气真正的第一张名牌。这是大名鼎鼎的北美F-86战斗机的发动机,也是波音B-47和北美B-45轰炸机的发动机,产量超过36 500台,这在普遍短寿的第一代喷气发动机中绝对是鹤立鸡群。

通用电气再接再厉,在1952年推出QOL-1590技术验证机,采用了革命性的可调定子技术。轴流式压气机需要很多级才能达到足够的增压比,前级出气的旋转使得同方向旋转的后级“使不上劲”,级数越多,问题越大,所以需要在级间增加扰流片,把旋转的气流“拧直”回来,改善后级的进气条件,这就是定子。但固定的定子的“扭转度”只能针对特定工况优化,难以兼顾从怠速到全速的大范围工况。在偏离设计工况时,轻者油耗增加,重者会发生发动机喘振甚至停车。Me 262的发动机就很容易进入喘振甚至停车,在起飞、着陆的时候尤其要“小心轻放”,这成为盟军战斗机偷袭的最好机会,以至于必须在Me 262起飞、着陆期间出动螺旋桨的Me 109或者Fw 190警卫机场周围上空。可调定子解决了这个问题,极大地提供发动机的无忧虑工作范围,油耗也改善了。

可调定子主要是盖尔哈特·诺伊曼发明的。他的经历很奇特,作为德国犹太人,抗战前后在中国混,从在香港修汽车到在飞虎队修飞机,什么都干过,还因为会说点中文,作为OSS(CIA的前身)特工到长江沿岸侦察日军船队动向。因为敌侨身份,他的美国公民身份还是陈纳德、多诺万“走后门”才通过国会特批的。诺伊曼直到战后才进入洛杉矶加州大学进修航空工程,以后进入通用电气工作。在这里,他发明了可调定子,试验效果超过预期,马上得到美国空军指令,放大为J79涡喷投产,被誉为史上最可靠的喷气发动机,用于B-58、F-104、F-4和性能降级以供外销的F-16/79。


 

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1953年,美国海军提出小型涡轴的要求,要求重量不超过180千克,但功率不低于600千瓦。3年后,通用电气推出T58涡轴,一反主流涡轴采用离心式压气机的惯例,采用带可调定子的轴流式压气机;采用后置自由涡轮(动力输出轴与压气机轴分离),重量只有110千克,功率达到780千瓦,以后发展成一大个系列。美国军方大喜过望,马上大量订购,用于UH-1F和SH-3等多款直升机。T58的改进型至今还在使用,包括特朗普的“陆战队一号”。

通用电气连战连捷,在1957年推出T64涡轴。这次是大家伙,用于CH-53“种马”系列重型直升机,还用于意大利的阿莱尼亚G.222和加拿大德·哈维兰DHC-5“水牛”运输机,如果洛克希德AH-56“夏延”没有下马,用的也是T64。目前用于竞争下一代高速直升机项目的贝尔V-280“勇士”用的也是T64,但量产后会改用新发动机。

上世纪50年代的最后两年通用电气也没有浪费。1958年,通用电气推出了CJ805。这是从J79改进而来的、专为四发客机或者双发公务机市场推出的小涡扇;1959年,通用电气推出了J85,并用于诺斯洛普F-5战斗机和T-38教练机。从推力来说,J85并不突出,但这小东西尺寸非常紧凑,直径只有0.46米,长度只有1.1米,而推重比高达8:1。这对50年代末的技术水平来说已经很高了。


 

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到了上世纪60年代,通用电气开始为J79的更新换代做准备。1962年,盖尔哈特·诺伊曼提出,将通用电气手头零散的先进技术整合成一台完整的模块化技术验证机,以此建立可以缩放的基础模块,最终可以与其他技术组合成一系列发动机——这就是GE1,包含了带可调定子的压缩机、环形燃烧室、带气膜冷却的涡轮叶片和先进材料。GE 1被称为通用电气历史上最了不起但从未装上任何一架飞机的发动机。

在诺伊曼的领导下,GE1的红利遍布上世纪六七十年代,这也是冷战高峰。充分发挥GE1的热端技术优势,通用电气在1965年推出划时代的TF39,8:1的高涵道比同时代的低涵道比涡扇降低油耗达25%,开创了高涵道比涡扇的时代,用于推动C-5“银河”运输机。而落选的波音和普拉特-惠特尼联手推出波音747,九死一生后,反手开创了民航的宽体时代。


 

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通用电气不甘错过宽体时代。1968年,以TF39为基础推出民用的CF6,用于推动道格拉斯DC-10,以后还用于空客A300、310、330、波音747、767、麦道MD-11等,使得通用电气成功地打入主流民航发动机市场,从此与普拉特-惠特尼和罗尔斯-罗伊斯三足鼎立。通用电气还从CF6发展出LM2500系列,这是世界上最成功、应用最为广泛的舰用燃气轮机。

在另一头,GE1技术催生了用于B-1轰炸机的F101,比同推力级的J79省油25%。这是通用电气的第一台加力涡扇,以后发展为F110。F101是起点很高的第一步。法国斯奈克马的第一台战斗机涡扇是M53,这是单转子的,为“阿塔”系列涡喷直接加上风扇。普拉特-惠特尼的第一台涡扇TF-30是双转子,但性子暴烈、可靠性差。 F-14直到换用通用电气F110后才真正发挥出全部性能。所以到F-15的时候,普拉特-惠特尼重起炉灶,全新设计了第二代的F100,后来F-16也用F100。F100先走一步,抢占了F-15和F -16的发动机市场,但F110后发制人,与F100大打了一场“发动机大战”,用更先进的性能和可靠性活活从后者独霸的市场瓜分了一半份额。

但F110或许还不是通用电气战斗机发动机中最亮的明星。在上世纪70年代,诺斯洛普着手研制F-5E的下一代,P-530“眼镜蛇”的设计,最后导致与YF-16竞争的YF-17,采用两台J101涡扇。采用“J”编号而不是“F”编号是因为通用电气留恋从J35到J79等著名喷气发动机的品牌效应,但这是介于涡喷和涡扇之间的所谓“漏气涡喷”。传统涡扇用风扇和外涵道产生更大的喷气流量,实现更大的推力,代价是较大的迎风面积和较低的喷气速度,前者导致较大的阻力,后者限制了飞机的最大速度。涡喷没有风扇和外涵道,特点正好相反。“漏气涡喷”不仅涵道比较低,而且外涵道的流量大体不产生推力,而是用于冷却加力燃烧室和喷口,容许发动机以更高的温度和压力工作,同样提高了推力,但迎风阻力和喷气速度的代价较小。


 

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YF-17落选了,但美国海军要求麦道由此发展F/A-18,J101也在1975年加大而成为F404,在1991年进一步发展为F414,在尺寸基本未变的前提下推力增加35%。最新的F414EPE推力进一步增加20%,推重比接近11:1,直逼普拉特-惠特尼F135的水平。F404/414成为最成功的中推,可能也是历史上应用最广泛的中推,不仅用于F/A-18经典型和加大的F/A -18E/F,还用于F-117、F-20、瑞典“鹰狮”、印度光辉LCA“光辉”、韩国KF-X等战斗机,以及波音T-X、韩国T-50等教练机。

F101优秀的核心发动机也是先进民航中推的理想起点。1974年,F101的核心发动机与法国斯奈克马(现赛峰)的风扇结合,推出历史上最成功的民航喷气发动机CFM56。今天的通用电气LEAP说起来是采用三维编织复材风扇叶片、陶瓷纤维复材燃烧室等先进技术的全新设计,但骨子里依然是CFM56的深度发展。CFM56和LEAP至今已经生产超过33 500台,2020年前LEAP年产量要求达到每年2 000台。罗尔斯-罗伊斯和普拉特-惠特尼合作的同级涡扇V2500只有7600多台的累计产量。

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