推重比,是发动机单位重力所产生的推力,术语称为“推力重力比”,即推力与重力之比(T/W),是航空发动机重要的设计参数之一。发动机推力与其重量之比称“发动机推重比”。发动机推力与飞机重量之比称“飞机推重比”。

发动机不同高度下的推力不同,通常以海平面推力作为发动机推重比的计算基准。飞机、火箭的推重比的计算也需要顾及飞机、火箭本身重量的变化。

在当代高性能发动机参数的基础上,依靠气动热力学的进步和配以相应材料、工艺技术,可提高发动机推重比。随着航空发动机不断进步,推重比也在不断提高。如中国的WS10推重比大概是8左右,WS15推重比可以达到10;美国F-14战斗机使用的F110推重比大约是7-8,F-22战斗机使用的F119可以达到10,而F-35战斗机使用的F135涡轮扇发动机大概是10-12;通用的VAATE项目推重比可达12-15。

概念分类

航空发动机推重比

发动机发出的总推力与发动机总重力之比值。航空发动机设计的重要指标之一、早期的涡轮喷气发动机推重比约为3。20世纪70年代的航空燃气涡轮发动机推重比可达6一8,垂直起落飞机专用的升力喷气发动机的推顶比可达16。推重比愈大,则发动机愈轻巧,飞行器可携带更多的燃料与有用发荷。提高推重比的主要途径是,提高增压比,提高涡轮进气温度,采用超音速压气机、高负荷燃气涡轮、短环形燃烧室以及改善发动机转子支承系统的结构,发展先进的航空材料等。

飞机推重比

推重比是发动机推力与飞机重量之比(T/W)。一般情况下使用发动机最大推力和飞机最大起飞重量。推重比大,飞行中飞机的剩余推力比较大,机动(起飞、爬升、加速)性能比较好。所以,军用作战飞机推重比比较大,尤其是对现代战斗机的机动性要求越来越高,推重比选择越来越大,T/W接近1,甚至大于1。民用运输机讲究经济性推重比选得比较小,T/W为0.3~0.4。轻型战略运输机的推重比要大一些,T/W可到0.4。飞机越大,推重比取得越小,300t以上的大型飞机,推重比T/W\u003c0.3。

火箭发动机的推重比

液态火箭发动机推重比为发动机推力与发动机重量的无量纲比值。高推重比意味着全箭高结构系数,在相同的起飞质量下获得更高的运载能力。推重比对于有效载荷的影响与飞行时发动机的工作阶段紧密相关,其中助推级发动机影响最小(约10:1,即发动机重量减少10kg,有效载荷增加1kg),芯一级发动机影响次之,高空发动机影响最大(1:1,即发动机重量减少1kg,有效载荷增加1kg)。

推重比计算

推重比直接影响飞机的性能。飞机的推重比越高,加速就越快,爬升就越迅速,可达到的最大高度也越高,转弯角速度也越大。另一方面,飞机的发动机越大,执行全部任务中的油耗也越多,从而使完成设计任务的飞机的起飞重量增加。推重比不是一个常数,在飞行过程中随着燃油消耗,飞机重量不断减小。其次,发动机的推力也随高度和速度变化。

飞机的推重比,通常是指在地平线静止状态(零速度)和标准掉漆条件下,而且是设计起飞重量和最大油门状态下的推重比。确定推重比的过程中,应当注意避免混淆起飞推重比和其他条件下的推重比。如果需要的推重比是在其他条件下得到的,就不能将它折算到起飞条件下,以便于选择发动机的数量和大小。巡航状态的推重比(T/W),用以下公式折算:

()起飞=()巡航()()

飞机在巡航时,处于水平匀速飞行状态。这个时候飞机的重量等于作用在飞机上的升力,而推力等于阻力,所以推重比等于升阻比L/D的倒数,其计算公式如下:

()巡航=

飞机在爬上状态时,采用的推重比计算公式是:

G+

一般情况下,军用飞机的战技术要求中会给出飞机的起飞滑跑距离值,因此可以根据下面的公式,以起飞滑跑距离来确定推重比。

=1.05

推重比也可以根据最大平飞速度来确定。如果能够得到最大平飞速度和翼载,就能计算出所需要的推重比。相反,如果已知推重比,就能求出所需要的翼载。

=

在选取飞机的推重比后,可以根据其不同性质要求求出几个推重比,飞机的推重比取其中的最大值。

影响因素

在当代高性能发动机参数的基础上,依靠气动热力学的进步和配以相应材料、工艺技术,发动机推重比可达到约12;进一步依靠发动机部件设计技术的提高,减少叶片机级数、采用整体叶盘结构、高通流设计,可使发动机推重比达到13~14左右;要想使推重比达到15,还需采用强度高、比重小的非金属和金属复合材料

循环参数

涡轮进口温度

保持部件效率,发动机进口流量,发动机总增压比,涵道比等不变的情况下,单纯增加提高涡轮进口温度,能有效地提高推重比。但这带来两大技术问题:第一,如仍使用当代高性能发动机涡轮材料,则涡轮叶片平均冷却效率要求达到约0.738,提高约12%,使涡轮冷却设计非常困难;第二,由于涡轮进口温度的提高,为保证内、外涵参数匹配,必需提高风扇压比,减小高压压气机压比,使风扇的平均级负荷增加约9%,增加了风扇和低压涡轮设计难度。

发动机总增压比

保持发动机其它设计参数不变,仅单纯提高总增压比,并不能提高推重比,反而在高增压比下,推重比反而下降。这是因为由于总增压比的提高,需要的压气机/涡轮功增加,可用于产生推力的燃气机械能相对比例下降。另外,总增压比提高而涡轮进口温度保持不变,则燃料加入的总能量减少,推力下降,因而仅提高总增压比,不提高涡轮进口温度保将得不到合理收益,徒自增加了技术难度。

涵道比BPR

涵道比BPR的影响,高推重比的发动机仍应采用小涵道比。

部件气动、热力设计技术

部件效率

提高部件效率尽管可以使油耗有所下降,但对增加推重比并不很明显。

涡轮冷却设计

减少用于涡轮冷却的空气量,可以有效地提高推重比,但极限情况下,即完全不用冷却,也只能使推重比达到11左右,但这对涡轮的设计,涡轮的可靠工作带来极大困难。此外,对发动机循环参数的匹配带来了新的问题。由于冷却气量的减少,为保证加力混合器进口的内外涵参数匹配,必须减小高压压气机压比而增高风扇压比,造成风扇和低压涡轮设计难度的加大。

高通流设计

采用高通流设计,提高风扇进口马赫,可以减小发动机进口直径,从而减轻质量,提高推重比。提高进口气流速度,可以提高单位流通面积的流量,从而减小进口直径,减轻重量,提高推重比。

结构设计技术

为了保证气动热力参数的实现,结构设计技术相应应有所提。此外,为提高推重比,需进行结构简化和减重。最有希望实现结构减重的手段是风扇和压气机采用整体叶盘。初步分析表明,它们可使相应部件的重量减少20%-30%,其它还可采用对转涡轮设计,减少涡轮导向器等设计技术来提高推重比。

材料工艺

为了实现气动、热力、部件设计,结构减重等技术进步,必须有材料的相应支持。适合于推重比12~15发动机的材料应该是:耐高温材料;高比强度和高比刚度;量使用轻质金属和非金属材料。

应用

推重比的迭代

以上资料来源:

不同飞机的推重比范围

推重比实际应用

现代涡轮喷气发动机的推重比约为3.5~4.0;加力涡轮喷气发动机约为5.0~6.0;加力小涵道比涡轮风扇发动机的推重比已达到并超过8.0;高性能的加力式涡轮风扇发动机的推重比可达12~15;用于垂直起落的升力发动机则高达16以上。进一步提高推重比是喷气发动机发展的一个重要趋势,例如升力发动机正向20~24发展,冲压喷气发动机在2~3倍音速时,推重比在20左右。液态火箭发动机的推重比随发动机特点和推力等级不同相差很大。对中等或大推力发动机来说,以不包括推进剂的结构重量(力)计,推重比可达70~100。中国的WS10推重比大概是8左右,WS15推重比可以达到10;美国F-14战斗机使用的F110推重比大约是7-8,F-22战斗机使用的F119可以达到10,而F-35战斗机使用的F135涡轮扇发动机大概是10-12;通用的VAATE项目推重比可达12-15.。现代战斗机的飞机推重比可达1~1.25;战略轰炸机则为0.25~0.50。

参考资料

航空涡轮喷气发动机技术发展.航空动力.2024-06-04

决定飞机性能的两大关键因素:推重比和翼载及其计算方法.微信公众平台 中国指挥与控制学会.2024-06-04

..2024-05-30

梦天实验舱:助推涡扇发动机突破.今日头条.2023-12-27

发动机推重比.科普中国网.2024-06-04

..2024-06-13

用了这些技术,推重比15-20的先进发动机指日可待!.国家材料腐蚀与防护科学数据中心.2024-06-04