如前所述,涡轮喷气发动机在航空发展史中占据了重要的地位,做出了功不可灭的贡献,但是它还有严重的缺点,即经济性差(用耗油率表征,发动机每10N推力在1h内消耗多少公斤燃油称为耗油率),这是因为涡轮喷气发动机的推力是用高速喷出的燃气得到的,喷气速度越高,推力也就越大。
高速、高温的燃气由尾喷口流出发动机,使大量的能量排入大气,对于发动机而言,显然是一大笔能量的损失,因此涡轮喷气发动机的经济性较差,耗油率较高,一般约为0.80~1.0kg/(daN·h)。
涡轮风扇发动机是一种能产生大的推力而排气速度较低的发动机,与涡轮喷气发动机相比,它的经济性有较大的改善,耗油率约降低1/3。
因此,当第一种实用型的涡轮风扇发动机“康维”在1960年出世后,很快被各种新型旅客机所选用,有些原采用涡轮喷气发动机作动力的旅客机,也换装了涡轮风扇发动机。
例如,波音707飞机,原装有4台“JT3C”涡轮喷气发动机,在这种形势下,立即将JT3C的前三级低压压气机的叶片加长改成涡轮风扇发动机“JT3D”,这样的改型,使发动机推力加大(起飞推力增加50%,巡航推力增加27%),耗油率降低(巡航耗油率降低13%),大大改进了波音707的性能,如表1所示。
20世纪60年代研制的旅客机大多都采用了这种低涵道比(1.5~2.5)的涡轮风扇发动机。由于涡轮风扇发动机有内外两个涵道,发动机的外径较大,因此,当时认为这种发动机除可用于旅客机外,还可用于轰炸机,但是不适合用于战斗机中。
20世纪60年代中期,美国要发展用于70年代,比当时最先进的战斗机性能还要好的所谓“空中优势战斗机”,这种战斗机强调要具有高的机动性,为此,要求飞机的推力重量比大于1.0,这就要求发动机具有高的推重比(8.0 级)和低的巡航耗油率。
显然,涡轮喷气发动机是不能满足这些要求的,于是利用涡轮风扇发动机耗油率低的特点,采用大量先进技术,发展了直径较小、推力大(110kN左右)和推重比大(8.0左右)的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机,并装备在F15和F 16战斗机上。F 15于1974年成为美国空军的装备投入服役,现在仍然是世界上最先进的战斗机之一,且被认为是第3代战斗机的代表机型。
表2列出了美国的F 4“鬼怪”式战斗机由涡轮喷气发动机改装涡轮风扇发动机斯贝 MK202 后性能改善的情况。由表2可以看出,F4战斗机采用涡轮风扇发动机后带来的好处(注意:斯贝 MK202并不是最先进的涡轮风扇发动机,它的推重比仅5.03)。
F4用涡轮风扇发动机改装后性能的提高,主要是斯贝 MK202涡轮风扇发动机比原装的J79涡轮喷气发动机性能有较大改善:推力提高了30%,巡航耗油率降低了20%,推重比由4.7提高至5.03。除此,发动机进口直径由0.992m减少至0.826m,发动机长度由5.301m减少至5.205m。
在此之后,新研制的战斗机均采用了带加力燃烧室的涡轮风扇发动机,例如美国的F/A-18和F-117,欧洲的“狂风”,法国的“幻影”,前苏联的米格 29和苏 27等。
20世纪60年代初期,美国空军提出发展战略远程大型运输机的计划,要求这种飞机能一次运载包括直升机、大型坦克、吉普车、简易浮桥等在内的军事装备航行一万公里以上。
典型的装载为:350名全副武装的士兵,或6架 AH 64武装直升机,或16辆3/4t载重卡车等。为此,要研制一种机身较宽、起飞总重在350t左右的大型飞机,其载油量约为150t,有效载重约120t。为满足这种飞机的要求,需研制一种推力约为200kN、耗油率约比小涵道比涡轮风扇发动机低1/3的大型发动机。
显然,对于这些要求,采取由用于波音707等的小涵道比涡轮风扇发动机改进衍生的办法是无法满足的,只能采取发展一种全新的发动机来达到。
于是在广泛应用各种先进技术的基础上,采用三高的循环参数:高的涵道比(5~8)、高的总压比(25左右)和高的涡轮前燃气温度(1600~1650K),成功地研制了称之为“高涵道比涡轮风扇发动机”的新一代发动机:TF-39、JT-9D、CF-6和 RB-211。
由于有了这种高涵道比涡轮风扇发动机,才使美国空军的战略远程运输机C-5A于1970年装备部队投入使用。
当年参加研制这种飞机的投标商有美国的三大著名的飞机制造商:波音、洛克希德和道格拉斯公司,在美国空军选中洛克希德公司的方案后,这三家公司均以参与投标的方案为基础,研制出新一代宽体机身(每排安排8~10个座位,以往的旅客机为6座),能乘坐350~450乘客,航程约10000km的大型客机:波音747(1970年投入营运),DC-10(1971年投入营运)和L-1011(1972年投入营运),用于这三型飞机的发动机就是上述的高涵道比涡轮风扇发动机。
可以毫不夸张地讲,如果没有这种新一代的高涵道比涡轮风扇发动机,C 5A、波音747、DC10和L1011等飞机就不可能实现。
随后,在70年代后期和80年代中期,除对JT9D等发动机进行不断改进提高性能外,又发展了各种推力档次的高涵道比涡扇发动机,以满足新的及各种型号旅客机的要求,并用于对老式客机的改造工程。
表3列出了 DC 8型客机用高涵道比涡轮风扇发动机 CFM56 2取代原用的JT3D小涵道比涡轮风扇发动机后,性能得到改善的情况。由表3可看出高涵道比涡轮风扇发动机的突出特点。