陳光/文
美國的F-104，蘇聯的米格-21和法國的“幻影”3被譽為20世紀60年代世界三大高性能戰鬥機。
其中，美國的F-104的設計工作始於1951年，原型機於1954年3月4所採用的發動機為GE公司的J79加力式渦輪噴氣發動機。另一型雙發雙座的F-4“鬼怪”戰鬥機也採用J79發動機作動力。F-4設計於1956年，原來是為美國海軍設計的，後來也被空軍所採用。原型機於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5159架。
表1、R-11F-300和J79發動機主要參數比較
與F-104齊名的同時代蘇聯米格-21戰鬥機於1953年設計，原型機於1955年首飛，1958年投入使用，共生產11496架，有多個改型，其初始型號所用發動機為R-11F-300雙轉子渦輪噴氣發動機，以後的型號則採用R-13-300雙轉子渦輪噴氣發動機，兩者結構基本相同，只是後者高壓壓氣機由3級增為5級。
F-104、F-4與米格-21均屬於第二代戰鬥機。因此，J79與R-11F-300是同時代兩型發動機。本文對美國用於F-104與F-4戰鬥機的J79發動機與蘇聯用於米格-21戰鬥機的R-11F-300發動機從結構設計上進行對比分析。
蘇聯的R-11F-300渦輪噴氣發動機
R-11F-300是蘇聯圖曼斯基設計局於1953年設計的，1956年年初第一次試車，同年開始批量生產，主要用於米格-21，以及蘇-15與雅克-25，有多種改型，共生產20900餘臺。
R-11F-300是蘇聯的第一種雙轉子渦輪噴氣發動機，如圖1所示，由3級低壓壓氣機、3級高壓壓氣機、環管式燃燒室、1級高壓渦輪、1級低壓渦輪與帶可調尾噴管的加力燃燒室組成，壓氣機與渦輪共8級，是世界上級數最少的雙轉子發動機。6級壓氣機增壓比為8.9，平均級壓比為1.438，不僅在當時是級壓比最高的壓氣機，現在也是最高的。
圖1 R-11F-300發動機總圖
1—低壓壓氣機； 2—高壓壓氣機； 3—燃燒室；4—高壓渦輪；5—低壓渦輪；6—加力燃燒室；7—預燃室； 8—可調尾噴管
R-11F-300的主要性能參數包括：增壓比為8.9，渦輪前燃氣溫度為 1228K，中間推力為38.7kN ，耗油率為 0.95kg/(dN·h)，最大加力推力為60.6kN， 耗油率為2.42kg/(dN·h)，長度為4.6m，直徑為0.906m， 重量為1124kg，推重比為 5.5。
美國的J79渦輪噴氣發動機
J79是美國GE公司在20世紀50年代研製的，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用於B-58轟炸機，F-104、F-4與A-5戰鬥機等，除在美國生產外，還在比利時、加拿大、德國、以色列、意大利及日本生產，在30年時間內，共生產17 000餘臺。
J79如圖2所示，由17級壓氣機、環管式燃燒室、3級渦輪與加力燃燒室組成，是壓氣機級數最多的單轉子渦輪噴氣發動機之一，其壓氣機共17級，增壓比為13.5，為了擴大壓氣機工作範圍，使其在工作包線內不出現喘振，由0級到6級共7級靜子葉片是可調節的，為採用可調葉片級數最多的發動機。
（上圖為主機部分，下圖為加力燃燒室及可調尾噴管）
圖2 J79發動機
J79發動機性能參數包括：渦輪前燃氣溫度為1205K，增壓比為13.5，推重比為4.61，中間推力為53kN，耗油率為0.87 kg/(dN·h)，最大加力推力為80kN， 耗油率為2 kg/(dN·h)， 發動機長為5.3m，直徑為1m。
壓氣機和渦輪的級數
R-11F-300壓氣機加渦輪只有8級，J79有20級，其中還有7排可調靜葉，顯然，R-11F-300的級數比J79少12級，當然零件少，發動機重量輕，長度短。但增壓比小，單位推力會小，因此，雖然兩型發動機的直徑相差不大（0.906m/1.0m），但推力卻相差較大（53kN/80kN）；另外耗油率相差也較大（0.95 kg/（dN·h）與0.87 kg/（dN·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葉片是按小展弦比設計的，而J79的葉片是大展弦比的。小展弦比的葉片，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，葉片數目也較少。R-11F-300是最早釆用小展弦比葉片的發動機，而英美當時的發動機全都釆用大展弦比。
壓氣機轉子
兩型發動機均採用了盤鼓混合式轉子，但輪盤與鼓環連接方式卻不同。R-11F-300輪盤與鼓環間採用了帶緊度的止扣連接，在配合處還採用徑向銷釘，如圖3所示，使連接更牢固。這種連接方式在蘇式發動機中採用較廣，不僅用於壓氣機盤鼓連接，也用於軸與輪盤以及渦輪。
J79壓氣機轉子中，輪盤與鼓環間採用了多個短螺栓的連接方式（普惠公司同時期的發動機採用多根長螺栓連接）。兩種連接方式中，R-11F-300帶緊度的止扣連接零件數少，重量輕，但組裝好後不可拆。GE公司在CF6中也釆用了這種連接方式，但是沒有銷釘，說明這種帶緊度的止扣連接在焊接轉子出現前是一種較好的連接方式。
圖3 鼓環與輪盤用圓柱面定心緊度配合
壓氣機無進口導向葉片（3標）
R-11F-300低壓壓氣機無進口導向葉片，這種安排是少有的，目前只是在大涵道比渦輪風扇發動機中採用。由於R-11F-300無進口導向葉片，於是將低壓壓氣機轉子前支點後移到第1級和第2級之間，通過第1級導向葉片將軸承負荷傳到機匣，這種結構是少有的。
斜榫根
R-11F-300壓氣機平均級壓比較高，第1級葉片中，前緣比後緣低得較多，但葉尖處前後緣直徑相同，所以在葉根處就形成了較大的斜坡，如圖4所示，這種結構在現代大涵道比渦輪風扇發動機風扇葉片中是常見的。
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，輪盤外緣也做成前小後大的斜坡，裝葉片的榫槽也做成斜的，由於榫根與榫槽均做成斜的，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，這是一種不好的設計。西方國家的發動機很少這麼做，但在蘇聯的發動機中卻採用較多，例如第三代戰鬥機蘇-27用的AL-31F第一級風扇葉片也是做成斜榫根的。
圖4 R-11F-300低壓壓氣機一級工作葉片斜榫根
圖5為CFM56-3的風扇葉片與風扇輪盤圖，葉片㡳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（在這種設計中，槽向力即軸向力）僅是氣動力引起的，因此只需用常規的鎖片即可將葉片鎖緊在輪盤的榫槽中。
圖5 CFM56-3的風扇葉片與風扇輪盤圖
中介軸承
R-11F-300低壓轉子通過2箇中介軸承支承於高壓轉子中，如圖6所示。
圖6 R-11F-300轉子支承方案
1—低壓轉子前滾棒軸承；2—低壓轉子中滾珠軸承；3—高壓壓氣機後滾珠軸承；4—高壓渦輪前滾棒軸承；5—低壓渦輪前滾棒軸承
在圖6中，2、5號軸承為中介軸承，低壓壓氣機後端通過2號中介軸承支承於高壓轉子中，低壓渦輪前端通過5號中介軸承支承於高壓轉子中，採用中介軸承後，使整臺發動機的軸承腔與承力框架減少，相應的零件數可以減少，R-11F-300是最早釆用中介軸承的發動機。GE公司在F101中首次採用中介軸承，隨後在F110、F404與CFM56系列中也採用中介軸承；普惠公司直到F119中才採用；蘇聯的AL-31F與RD-33也採用了中介軸承。但是，除R-11F-300是將低壓轉子通過中介軸承支承於剛性好且是2支點的高壓轉子中的外，其他發動機均是將高壓轉子通過中介軸承支承於剛性差3支點的低壓轉子上，帶來結構設計中的一些問題。
用鎖緊卡圈鎖緊工作葉片
R-11F-300壓氣機中，除第1級採用銷釘鎖緊葉片外，其他5級均採用1個特製的鎖緊卡圈將所有葉片鎖緊於輪盤中的設計，如圖7所示，大大地簡化了裝配工作，英美髮動機沒有采用這種結構，只是羅羅公司在為波音787研製的遄達1000發動機中壓氣機的葉片採用了，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，還稱這種結構是羅羅公司的創新技術。
圖7 R-11F-300工作葉片用卡圈鎖緊
1—卡圈；2—裝在卡圈缺口處的固定銷
圖8 遄達1000中壓壓氣機葉片用鎖緊卡圈鎖緊所有葉片
燃燒室
兩型發動機均採用環管式燃燒室，是由管形燃燒室向環管式燃燒室過渡的首批機型。
對半開的渦輪機匣
J79的結構設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。在絕大多數發動機中，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。但是採用對半機匣時，會使渦輪部分的裝配變得較容易。由於J79渦輪釆用對半開的機匣，它的後繼機型如TF39、CF6的低壓渦輪也採用對半開的機匣，而在GE的F101及其後的發動機中均採用整環機匣。對半開的渦輪機匣設計較難，特別是渦輪前燃氣溫度越來越高時，更不宜採用。
圖9 J79渦輪對半開的機匣
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合面相互壓緊，振動時該面上的摩擦力可以減振。
圖10 雙榫根葉片與普通榫根葉片的比較
A— 兩葉片的結合面
綜合比較
從結構設計上將J79與R-11F-300兩型發動機進行綜合比較，筆者認為R-11F-300應該比J79好，因為它的級數少，零件數目少，重量輕，推重比大（R-11F-300為5.5, J79為4.61），而且釆用了許多在當時是創新的設計，例如，小展弦比壓氣機葉片，轉子的盤與鼓環等的連接採用帶緊度的止扣配合，中介軸承，環形卡環鎖緊整級葉片等，其中有些設計在10年或20年以後才在其他英美髮動機中採用。
但是它的增壓比小，耗油率高及單位推力小；在結構設計中，壓氣機前級葉片釆用斜榫根；翻修壽命與總壽命短等是其欠缺之處。
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