燃氣渦輪發動機大變身

航空工業素有“工業之花”的美名，是代表一國科技、經濟和國防水平的重要標志。而集現代科技之大成的燃氣渦輪發動機，又被譽為現代工業“皇冠上的明珠”。可見航空發動機在航空工業乃至整個工業體系中的重要地位。由于研制一種新型燃氣渦輪發動機需要投入數億甚至數十億美元的經費，航空工業強國為了降低風險，往往采取核心機發展戰略和衍生發展的方法。即在一種核心機基礎上，研制出渦槳、渦軸、渦扇等發動機，或者在一種成熟發動機基礎上派生出不同型別、不同用途的發動機。

核心機的概念

航空發動機的核心機亦稱燃氣發生器，是指多轉子燃氣渦輪發動機中由高壓壓氣機、燃燒室和驅動高壓壓氣機的高壓渦輪等三個部件以及有關附件組成的燃氣渦輪發動機的核心部分。核心機的特點是溫度高、壓力高、轉速高、承受的應力大，對發動機的性能和可靠性影響最大。核心機因此成為航空發動機研制中主要難點和關鍵技術最集中的部分，也是航空發動機先進性和復雜性的集中體現。

從技術途徑講，核心機是利用在應用研究和探索發展中得到的燃氣渦輪發動機的核心部分，在真實環境下評估這些核心機技術的性能、成本和耐久性。有了這種關鍵硬件的驗證，在將這些技術轉移到工程發展時就能減少風險，并縮短工程發展的周期，降低成本。因此，核心機發展戰略作為預先發展的重要內容，較好地解決了發動機與飛機機體研制進度的協調問題。

燃氣渦輪發動機誕生以來，向著渦噴、渦槳、渦扇等類型發展。這些發動機盡管大小不同，外形各異，卻可以擁有相同的核心部分。因此，設計人員為了降低研制成本與風險，往往采取系列化的發展戰略。燃氣渦輪發動機系列化的最主要途徑是保持一臺成熟的核心機基本幾何參數不變的情況下，通過改變風扇或低壓壓氣機直徑、級數以及渦輪的冷卻技術或材料來改變發動機的主要循環參數，如增壓比、涵道比、渦輪進口溫度等，獲得不同性能和用途的發動機。由于采用模塊化設計，在同一核心機上配上從其他研究計劃中得到的不同風扇或低壓渦輪、加力燃燒室、控制系統和傳動系統等，就能夠像搭積木一樣，以較低的風險研制出覆蓋一定推力（功率）范圍，滿足不同用途的一系列發動機，從而實現核心機的多用途目標。利用核心機發展系列發動機的道路始終受到航空發達國家的高度重視，并成為燃氣渦輪發動機系列發展的主要技術途徑。

核心機發展的典型代表

喜歡軍事的朋友大抵都知道美國的S-3、A-10、B-1、C-5、F-14、F-15等飛機，如果有人說這些大小不同、用途各異的飛機使用的發動機均來自一個核心機計劃，您可能不會相信。事實上，不光這些軍用飛機，還有許多大小不等的民用飛機及其派生出的軍用飛機的發動機也與這個計劃有關。

20世紀50年代末，美國空軍開始實施輕型燃氣發生器計劃，分別和通用電氣公司、普拉特·惠特尼公司簽訂了研發合同，打算以此核心機為基礎，根據需要發展成戰斗機、轟炸機、運輸機的動力裝置。60年代初，通用電氣公司根據美國海軍提出的對新一代戰斗機的要求和對其他9種可能發展的軍用飛機綜合考慮后，確定了GE1核心機的性能和尺寸。通用電氣公司在這個核心機基礎上保持外徑不變，不斷改進出一系列的核心機，包括對以后具有重大影響的GE1/6、GE9和GE1/10。通用電氣公司在這些核心機基礎上分別發展出YJ101、TF34、TF39、F101、F110、F404等許許多多的發動機，推力從40千牛到263千牛。

1964年5月，美國空軍根據對研制C-5戰略運輸機的要求，提出新型發動機招標。1965年，通用電氣公司和普惠公司分別提出GE1/6和STF200驗證機（核心機）作為投標。同年8月，美國空軍宣布通用電氣公司獲勝，不久之后將該發動機正式編號為TF39。該發動機不僅是世界上第一臺采取核心機方式產生的航空發動機，也是首臺高涵道比渦扇發動機。

1966年末，美國海軍分別與通用電氣公司和艾利遜公司簽訂了研制S-3艦載反潛機動力裝置的合同。1968年4月，通用電氣公司的TF34高涵道比渦扇發動機設計方案中選。該發動機以GE1為基礎，并吸取了TF39和CF6的風扇技術。1972年8月，TF34通過了定型試車，9月，首臺生產型發動機交付海軍使用。

F101是通用電氣公司為B-1戰略轟炸機研制的中等涵道比渦扇發動機。它的研制過程可以追溯到60年代中期，當時該公司正按美國空軍要求實施第二代先進渦輪發動機燃氣發生器計劃，編號為GE9。1969年，在為爭奪用于B-1轟炸機的競爭中GE9獲勝。1971年10月核心機首次試驗。最終定型投產的B-1B轟炸機安裝了F101-GE-102發動機。

航空發動機的衍生發展

衍生發展從本質上講也是核心機發展方式，只是與TF39、F101等為代表的直接從核心機計劃發展而來的新型發動機不同，是對已有發動機的繼承。從時間上看，衍生發展方式比核心機之路還要早。

自從20世紀50年代末美國對J57、J79進行渦扇化改型之后，西方國家的航空強國走上了衍生發展的系列化發展道路。在衍生發展方面，一些航空發動機制造商走出了具有各自特色的發展道路。

普惠公司利用衍生發展之路，開辟了不同于通用電氣公司的廣闊天地。以J52渦噴發動機為例，該型發動機作為A-4、A-6攻擊機的動力裝置，與海軍飛機有著深厚的淵源。該發動機的重要改型JT8D渦扇發動機，被安裝于波音727、波音737、DC-9/MD-80、“快帆”等客機上，是世界上首臺銷量超過萬臺的渦扇發動機。在JT8D基礎上派生出的RM8，則是瑞典Saab-37戰斗機的動力裝置。再以1947年開始設計的J57渦噴發動機為例，該發動機被用于海軍的F4D/F-6、F8U/ F-8戰斗機、A3D/A-3攻擊機，空軍的F-100、F-101、F-102戰斗機，B-52轟炸機（大部分型號）、KC-135A加油機等。其民用改型JT3C被波音707、DC-8等客機采用。1957年，世界上首臺渦扇發動機英國的“康維”完成定型試驗。為了追趕英國，普惠公司將JT3C-7改成 JT3D小涵道比渦扇發動機。該發動機廣泛應用于波音707、DC-8等飛機上。JT3D的軍用型號TF33被安裝于C-135系列、C-141、B-52H、E-3、E-8、RB-57F等飛機上面。在J57基礎上放大而來的J75，被應用于F-105、F-106、U-2/TR-1等飛機，其民用型號JT4曾用作波音707和DC-8的動力裝置。1958年，普惠公司開始研制民用的JTF10A發動機，但未獲得應用。1961年末，美國海空軍提出F-111戰斗機的設計要求，并選中了JTF10A的軍用型TF30-P-1。TF30是世界上首次用于戰斗機的超音速加力渦扇發動機，除用于F-111外，還用于F-14戰斗機，其無加力型用于A-7艦載攻擊機。

通用電氣公司除了在GE1系列核心機基礎上研發有多種世界知名的航空發動機外，還在這些成熟的發動機中衍生發展出F110、F404、F414、CF6（軍用編號為F103）、CFM56（軍用編號為F108）等發動機。以F/A-18戰斗機使用的F404發動機為例，該發動機源自為YF-17研制的YJ101渦噴發動機。YJ101發動機則由在F101核心機基礎上按比例縮小的GE15發展而來，后來通用電氣公司又將其放大為F404發動機。通用電氣公司在F404基礎上還為已經下馬的A-12艦載攻擊機研制了無加力型的F412發動機。進入90年代以后，為滿足F/A-18E/F戰斗機的需求，通用電氣公司利用F404的風扇和尾噴管、F412的高壓壓氣機和高低壓渦輪、為第四代戰斗機研制的YF120發動機的加力燃燒室等研制了F414發動機。通用電氣衍生發展的好戲還沒有結束，該公司在F101核心機基礎上研發了兩種非常成功的發動機。一個是被用于F-14、F-15、F-16等戰斗機的F110。該發動機的無加力型F118，主要用于B-2A和U-2S。第二個是與法國斯奈克瑪公司研制的當代最成功的CFM56發動機，被KC-135/RC-135、E-3、E-6、波音737/P-8/E-737/C-40、A320、A340、DC-8等軍民用飛機大量使用，是繼JT8D之后又一銷量超過萬臺的軍民用發動機。

英國的羅羅公司在兼并納皮爾公司和布里斯托爾·西德利公司后，成為英國唯一的航空發動機制造企業，1995年，羅羅公司收購了艾利遜發動機公司（成為羅羅美國公司）。目前，該公司是排名僅次于通用電氣公司的世界第二大航空發動機制造商。羅羅公司與普惠公司一樣，在基準型發動機基礎上不斷衍生新的發動機，具有很強的繼承性。例如，“康維”作為世界上第一臺渦扇發動機，許多技術源自“埃汶”渦噴發動機。再以我“飛豹”戰斗轟炸機使用的“斯貝”Mk202為例，該發動機屬于人丁興旺的“斯貝”家族的一員。“斯貝”和F-14使用的TF30一樣原是一種民用發動機，曾被“三叉戟”、BAC-111、福克F.28、“灣流”Ⅱ/Ⅲ等飛機使用。其中的一個軍用型號被“掠奪者”艦載攻擊機和“獵迷”海上巡邏機使用，另一個是美國的仿制型號即用于空軍型A-7攻擊機的TF41，還有就是“斯貝”Mk202。后者除了“飛豹”使用外，英國海空軍的“鬼怪”也使用這款發動機。民用型的“斯貝”后來又派生出“泰”高涵道比渦扇發動機，供福克100、“灣流”Ⅳ等飛機使用。

核心機發展戰略和衍生發展不僅表現在渦扇發動機，在渦槳和渦軸發動機方面也不乏成功范例。

執世界渦槳發動機牛耳的美國艾利遜公司從1944年即開始渦槳發動機的設計工作。T40是艾利遜公司設計成功的第一臺渦槳發動機，不久，艾利遜公司便在XT38和T40發動機基礎上研制出暢銷的501/T56渦槳發動機。1985年，該公司從T56和501發動機發展起來的T406渦軸發動機被V-22傾轉旋翼機采用。在此基礎上又研制出AE3007渦扇發動機和AE2100渦槳發動機。另外，艾利遜公司研制的250型，軍方編號為T63，是一種既可供小型飛機使用，又可供小型直升機使用的燃氣渦輪發動機。

穩坐世界航空發動機頭把交椅的通用電氣公司，除了在渦噴、渦扇發動機方面頗有建樹外，在渦軸和渦槳發動機方面也有不少成就。該公司在GE12核心機基礎上，做些小的改動使之成為T700渦軸發動機，用于“黑鷹”/“海鷹”、AH-64、EH101等直升機。在T700基礎上研發的CT7渦槳發動機，用于CN.235、Saab340等飛機上。在此之前，通用電氣公司研發了主要用于H-53直升機的T64/ CT64渦軸發動機，其渦槳型主要用于G222/C-27運輸機和PS-1/US-1水上飛機。

其他國家，如蘇聯/俄羅斯、加拿大、英法等國研發的渦槳和渦軸發動機皆有類似情況。

艦船用燃氣輪機

燃氣渦輪發動機領域是個多姿多彩的世界，技術與需求使其變化多端。除個別專門研制的燃氣輪機外，絕大多數艦船用燃氣輪機為航空發動機改裝而來的輕型燃氣輪機（簡稱航改燃機）。目前，英國和美國是兩個將航空用燃氣渦輪發動機衍生成艦船用燃氣輪機的主要國家。

英國于20世紀50年代以來，研制、生產的航改燃機主要有在“奧林帕斯”Mk202渦噴發動機基礎上研制的“奧林帕斯”TM1A、TM2A、TM3B、TM3C燃氣輪機，在“苔茵”渦槳發動機基礎上衍生的“苔茵”RM1A、RM1C燃氣輪機，在“斯貝”渦扇發動機基礎上衍生而來的“斯貝”SM1A、SM1C、SM2C燃氣輪機，在RB211、“遄達”“泰”等航空發動機基礎上研制的WR21燃氣輪機，在“遄達”800基礎上研發的MT30燃氣輪機等型別。這些動力裝置分別用在護衛艦、驅逐艦、巡洋艦、航空母艦、破冰船等艦船上。

美國海軍應用燃氣輪機晚于英國約5年，即在60年代初期開始考慮將燃氣輪機應用于艦艇。在1969年以后，美國海軍常規動力迅速走上了全燃推進的道路，其燃氣輪機的裝艦數量大大超過其他國家，由此確立了美國在艦船用燃氣輪機領域中的霸主地位。美國的幾家航空發動機制造商先后研發了LM1500、LM2500、LM5000、LM1600、FT4、FT8、FT9、 ST18A、ST40、570-K、TF25、TF40、TF50等艦船用燃氣輪機。

盡管美國研發了多種艦船用燃氣輪機，但對世界艦船動力最具影響力的則是LM2500。1968年，通用電氣公司以TF39的核心機為基礎，開始研制LM2500艦船用燃氣輪機。自從1975年投入使用以來，LM2500系列燃氣輪機已經占據了世界艦船用燃氣輪機的大部分份額，分別裝在輕型航空母艦、巡洋艦、驅逐艦、護衛艦、兩棲登陸艦、巡邏艦、氣墊船、水翼艇等艦船上。

中國航空工業在20世紀七八十年代，在航改燃機方面取得了一些成就。進入21世紀以來，中航工業繼成功研制出“昆侖”、“太行”發動機以后，在其基礎上又先后推出QC185、QC260等一系列的艦船用燃氣輪機。