斯贝发动机

斯贝发动机（英文名：Spey engine ）^[2]，是英国发动机制造商罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）研制并生产的系列涡轮风扇发动机。^[1]与常规的涡轮喷气发动机相比，斯贝发动机具有推力大、耗油低、可维护性好、使用寿命长的特点。^[2][10][11]

20世纪60年代初，罗尔斯·罗伊斯公司研制出了代号为RB163的新一代民用型斯贝发动机。之后，在民用版斯贝发动机获得成功之后，罗尔斯·罗伊斯又在此基础上推出了军用型号RB.168-1。1975年中英双方签订了关于中国引进“斯贝”发动机技术的协议，西安航空发动机厂于1976年开始研制工作。1976年7月25日，第一台使用英国材料制造的零组件和进口部附件的涡扇9发动机完成装配，同年11月13日完成试车。^[3][12][13]

斯贝发动机和常规的双转子加力形涡轮风扇发动机类似，其工作原理是由在压气机前安装的一级或多级风扇形成的外涵气流与内涵喷管排出的或内外涵气流掺混后排出的燃气共同产生推力的燃气涡轮发动机。斯贝发动机由发动机核心机（压气机、燃烧室和高压涡轮）和低压涡轮及其带动的风扇共同组成。^[14][12]斯贝发动机（如MK202），其干推力可达12140磅，最高推力20500磅，每秒可压缩204磅的空气，推重比为 5:1，在加力燃烧室工作时，其单位推力油耗为1.95 lb/(lbf·h)，而在军用推力下则为0.63 lb/(lbf·h)。^[15]

1947年4月，英国在进入喷气时代之后，罗伊斯.罗尔斯公司制造出了一系列的涡轮喷气发动机，还制造出了世界上第一种商业涡轮风扇发动机——RB.80；^[16]1952年正式定名“康维内外涵发动机”，1957年7月完成定型试验、批产，成为世界上第一台涡扇发动机，推力5730daN，涵道比0.3~0.6。^[8]

1956年7月，英国欧洲航空公司（BEA）向飞机制造商招标，研制一种短/中程喷气客机。1958年2月，德·哈维兰公司提出的DH121 方案以其技术领先而中选。装3台罗尔斯-罗伊斯RB141/3 涡轮风扇发动机，采用机尾安装发动机的布局，客舱可以安排111个座位，最大航程2900千米。^[5]

1959年，因为暂时无法得到RB141/3发动机，根据BEA调整后的设计要求，改用RB163“斯贝”(Spey)发动机。由于发动机推力减小，客舱座位数削减为97~103个，最大航程亦改为1300千米。1959年8月2日，BEA签署了购买24架、意向订购12架的合同。同年德·哈维兰公司并入霍克·西德利公司（Hawker Siddeley），研制工作安排在哈特菲尔德工厂进行，飞机命名为“Trident”（三叉戟）。^[5]

1960年，英国罗·罗公司在“三叉戟”客机的民用型斯贝涡扇发动机（涵道比1.0）基础上，发展军用型“斯贝”MK202（涵道比0.62）并换装至F-4“鬼怪”式战斗机。^[3][11]

1963年，装在英国家空军的“掠夺者攻击机上进行首次飞行的军用斯贝是Mk101。它是一种非加力型军用斯贝，由民用斯贝Mk505改型而得。1964年为满足作战时要求更大的推力，又以民用斯贝511和Mk512为基础发展出加力型军用斯贝Mk202。^[7]

1964年初，罗-罗公司开始设计RB168-25RMk202/203，1965年4月首次运转，1968年正式投产使用。该型别为加力型，加力燃烧室有4条燃油总管和3圈V形火焰稳定器。主喷管全程可调，副喷管不可调，压气机设有供飞机附面层控制系统用的补气系统。这种型别现已不再生产。^[7]

1966年，美国空军与艾利逊公司和罗尔斯·罗伊斯公司签订一项价值2.27亿美元的合同，由这两家公司联合进行研制和生产一种军用斯贝TF41。它是RB168-25的改型，艾利逊公司负责研制和生产TF41的特有的零件，罗尔斯·罗伊斯公司提供技术合作和与斯贝发动机通用的零件。首台TF41-A-1于1967年10月首次运转，1968年7月交付生产，但发动机定型工作拖得较晚，一直到1969年3月才正式定型。^[7]

1970年代初，为“联华制苏”进而助推美苏“缓和”，美国尼克松政府制定“有限武装扶华政策”，谋求有限提升中国军力，搭建美中制苏安全协调关系。鉴于维护美苏“缓和”而尚不对华售武，美国鼓励英国开启对华技术转让及军售。1972年，中国开始与英国接触讨论引进其“斯贝”MK511型民用涡扇发动机的可能。英国政府基于经济与安全双重利益，于1975年底正式售华比较先进的“斯贝”MK202 型军用涡扇发动机。^[2]

1975年，中国购买英国斯贝MK202加力式涡扇发动机专利许可权，于1980年制造成功。该发动机中国编号为涡扇-9，其最大推力9126daN，后配装“飞豹”战斗轰炸机。^{[3][17][18][19]}

1982年8月27日，首架搭载斯贝发动机的罗马尼亚产龙巴克1-11客机（YR-BRA）在布加勒斯特工厂推出，于同年9月18日首飞。12月29日，首架量产型龙巴克1-11客机交付罗马尼亚航空（TAROM），最终，罗马尼亚交付了19架龙巴克1-11客机就宣告停产，最后一架龙巴克1-11客机（YR-BRI）于1993年1月1日交付航空公司，交付后生产线随即关闭，正式结束了BAC 1-11的罗马尼亚姻缘。^[13]

1987年10月，中国启动了代号“太行”的发动机研制项目。^[20]1996年1月，斯贝发动机全部国产化工程正式启动，2002年开始装机试飞，2003年7月工程通过技术鉴定，涡扇-9发动机被命名为“秦岭”发动机，2007年12月30日，涡扇-9通过生产定型审查，2009年9月28日批准生产定型。^[21]

2016年，涡扇-10发动机实现生产定型。这款发动机是中国首个具有自主知识产权的高性能、加力式涡轮风扇发动机，同时也填补了中国国产涡轮发动机的空白。^[22]同年，就有涡扇-15发动机的消息被报道。^[20]

斯贝发动机的风扇由一级或多级涡轮带动，自由空气在风扇中增压后，由风扇出口流出时被分为两股：一股进入内涵道，流入核心机和带动风扇的低压涡轮，最后由尾喷管流出，称为内涵气流，是核心发动机的质量流量。一股进入外涵道，从围绕核心机机匣与外涵机匣间的环形通道中流过，称为外涵气流，是附加推进质量流量。^[23]

从高压涡轮出来的燃气先在低压涡轮中膨胀作功，然后到尾喷管中膨胀加速。燃气经低压涡轮，其温度、排气速度均有所降低，进入内涵道后的气体所产生的推力减小，尾喷管排气能量相应减少。而流过外涵道的空气，在风扇作用下受到压缩，压强提高，在尾喷管中膨胀加速后产生一定推力。^[11]内外涵两股气流产生的推力之和构成涡扇发动机的总推力。对外涵流量加功过程提高了外涵气流排气速度，也降低了内涵气流排气速度，在亚音速飞行条件下工作，较低的喷射速度可降低排气噪声。^[23]相对涡喷发动机，总推力加大、能量损失降低、耗油率降低、噪声降低是涡扇发动机的工作特点。^[11]

斯贝发动机的典型进气口（如涡扇-9）位于发动机前端，进气机匣为装有19个进口导流叶片的整体不锈钢焊接件，机匣材料为S/SJ2，叶片为S/607。进气机匣、导流叶片的前后缘内腔以及头部整流罩通高压压气机第12级热空气防冰。头部整流罩内装有前轴承滑油泵。^[24]

斯贝发动机的风扇转子为鼓盘式结构，第1和第5级转子叶片一般为T/AV钛合金，叶身带阻尼凸台，叶根以燕尾形头与盘联接。第2~4级转子叶片为AVFLS锻造铝合金，叶根用销钉与盘联接。前轴与第1级盘用12%铬钢S/SJV制成一体，第2~5级盘用钛合金T/SZ制成，为发夹形结构，后轴用3%铬钼钢S/HBH制成。^[24]

斯贝发动机的高压压气机一般由不锈钢S/SJ2锻制机匣沿垂直面对开，第1~12级静子叶片均用不锈钢制成(进口导流叶片和第1~11级为S/SNV，第12级为S/SJ2)。高压进口导流叶片可调。高压压气机转子为鼓盘式结构第1~8级转子叶片材料为钛合金(其中第1~5级为T/AV，第6~8级为T/SZ)，第9~12级转子叶片材料为抗蠕变铁素体钢S/SAV，第1级叶片带阻尼凸台，采用销钉与盘联接，第2~12级叶片均采用燕尾形头与盘联接。前轴用S/HBH钢制成，后轴用铬钼钒钢S/CMV制成。第1~6级盘用抗蠕变铁素体不锈钢S/STV制造，第7~11级盘用S/SAV制造，第12级盘用镍铬铁耐热合金N901制造，第2~12级盘均为发夹形结构。高压压气机设置放气机构，用以防喘。^[24]

斯贝发动机燃烧室为环管燃烧室，功能是将燃油与从高压压气机来的空气进行混合后燃烧，加热膨胀的热燃气向后加速驱动高、低压涡轮。燃烧室位于扩散机匣和涡轮导向器之间，共有10个火焰简围绕发动机中心线等距分布，顺航向看，按顺时针方向排列，最上部的一个为第1号。在4号和8号火焰简头部安装有高能点火电嘴，主要结构包括空气进气口、火焰筒和燃气导管等。^[12]

斯贝发动机高压涡轮的第1、2级导向器叶片和第1级转子叶片均为空心气冷式结构，转子叶片均带叶冠，用枞树形榫头与盘联接。第1级导叶材料为钴基高温合金HS31，第2级导叶为镍基高温合金C1023，第1、第2级转子叶片材料为镍基高温合金MarM002，所有叶片均为无余量精铸而成。1、2级涡轮盘均由N901高温合金制成，高压涡轮轴用S/CMV钢制成。高压涡轮轴承采用弹性支撑结构。^[24]

斯贝发动机低压涡轮的第1级导叶材料为镍基高温合金C1023、第2级导叶为C130镍基合金，均用无余量精铸而成。第1级转子叶片材料为镍基合金N105，第2级转子叶片为镍基合金N80A。1、2级低压涡轮盘和低压涡轮轴均由N901高温合金制成。低压涡轮轴承采用弹性支承结构。^[24]

斯贝发动机在加力燃烧室前设有排气混合器，以均匀掺混内外涵气流。加力扩散段内装有5块整流支板、3圈蒸发式火焰稳定器和3圈燃油总管，并装有催化点火器。加力筒体内设置防振荡燃烧的隔热屏。加力筒体和隔热屏材料均为C263。^[24]

斯贝发动机以机械液压式为主，辅以部分电调。可控制高压和低压转速、高压压气机出口压力和温度以及涡轮后的排气温度。使用加力时，压比调节器和喷口滑油(液压)系统自动调节喷口面积。^[24]

斯贝发动机使用RP-1(GB438-77)、RP-2(GB1788-79)或RP-3(GB6537-86)燃油。主燃油系统中，采用RLB-4低压燃油泵，出口燃油压力为550kPa，高压燃油泵为RZB-1，出口燃油压力为4140～8280kPa，使用的燃油流量调节器为RT-18。加力燃油系统中，使用RQB-1加力燃油流量调节器和RT-19加力点火燃油控制器。^[24]

斯贝发动机的滑油系统使用Castrol 98(DERD2487)或4050(GJB1263-91)高温合成航空润滑油。发动机主滑油泵为6级(1级增压，5级回油)齿轮式；低压压气机前轴承设有单独的供、回油泵；传动飞机附件的辅助齿轮箱内也设置一个回油泵；发动机滑油箱容量为5.7L。滑油系统中设置2个空气冷却的滑油散热器HSR-1和1个燃油冷却的滑油散热器HZS-1。^[24]

斯贝发动机点火系统使用DQ-23燃气涡轮起动机，起动机输出轴与发动机的传动比为1.0454。使用DHQ-13高能点火装置，2个高能点火电嘴BDZ-8A装在4号和8号火焰筒内，点火能量为2.5J。^[24]

斯贝发动机的附面层控制系统从高压压气机第7级或第12级放气口连续引气(最大引气量可达发动机进口空气流量的7%)，通过附面层控制引气管路输送到飞机机翼或襟翼表面以吹除附面层，进行增升(力)，并改善飞机起降时的操纵性。^[24]

斯贝发动机的空气系统一部分从高、低压压气机及外涵引出的空气，用于冷却热端零部件，保护轴承腔室，防止滑油消耗量过大和平衡轴向力。另一部分引气供发动机控制系统调节用。^[24]

斯贝发动机支承在7个轴承上。低压转子采取1-2-1支承形式，高压转子采取1-2-0支承形式。在7个轴承中，第4、5号轴承为止推滚珠轴承，其余5个轴承为滚棒轴承。第6、7号轴承采用弹性支承。发动机采用内、外混合传力。发动机借助2个主安装节和1个辅助安装节固定在飞机上，主安装节位于发动机中介机匣水平两侧，辅助安装节位于排气混合器机匣过渡段后安装环外。 ^[24]

1982年8月27日，首架搭载斯贝发动机的罗马尼亚产龙巴克1-11客机（YR-BRA）在布加勒斯特工厂推出，于同年9月18日首飞。12月29日，首架量产型龙巴克1-11客机交付罗马尼亚航空（TAROM），^[13][25]

由英国霍克·西德利公司为英国空军研制，首批量产型MRMK1，该型号共生产了46架，首飞于1969年6月28日，同年10月开始服役于第236作战部队，并装备了五个飞行中队，其中一个中队部署在马耳他。从1975年开始对英军原有的35架MRMK1进行升级改进的结果，首架量产型MRMK2在1979年8月交付给皇家空军。，此外还有重要的改装机型“猎迷”AEW3预警机。 ^[26]

福克F28采用后掠式下单翼；后部机身安装两台罗尔斯·罗伊斯Spey涡轮风扇发动机；后掠式T型垂直尾翼连接背鳍；后掠式水平尾翼，福克F28民用型有包括阿根廷航空，美国航空，安捷航空，孟加拉航空，印尼航空，西班牙航空等40余家航空公司使用。^[4]

“湾流”II于1966年10月2日首飞，1967年12月开始服役。1978年，美国湾流公司收购格鲁曼公司的GA飞机生产线后推出了改进型“湾流”III飞机，该机型于1979年12月2日首飞。后掠式下单翼，带翼翘；机身后部两侧安装两台罗尔斯·罗伊斯157Spey涡轮风扇发动机；机身两侧每侧5个舷窗；后掠式T型尾翼，后掠式水平尾翼。“湾流”III飞机是湾流II改进型，与“湾流”Ⅱ型的主要区别在于重新设计的机翼上带有翼梢小翼，增加了机身长度和燃油容量，燃油效率提高了18%。1978年春湾流公司宣布研制，1979年12月2日第一架原型机首次试飞，1980年9月22日获美国联邦航空局型号合格证。^[27][6]

三叉戟系列飞机包括“三叉戟”1E、2E、3B等多个型号，1E装3台RB163-25MK511-5“斯贝”发动机，单台推力50.7千牛。翼展增大1.58米，装有全翼展前缘缝翼，代替“三叉戟”1型上的下垂前缘。载油量增加，航程增大，载客115人。首架1E型1964年11月2日首次试飞，1965年11月获得适航证。共生产14架。主要用户有科威特航空公司、伊拉克航空公司、巴基斯坦国际航空公司、锡兰航空公司和塞浦路斯航空公司。^[5]

1987年10月，中国启动了代号“太行”的发动机研制项目。^[20]1996年1月，斯贝发动机全部国产化工程正式启动，2002年开始装机试飞，2003年7月工程通过技术鉴定，涡扇-9发动机被命名为“秦岭”发动机，2007年12月30日，涡扇-9通过生产定型审查，2009年9月28日批准生产定型。^[21]

Thrust SSC是由英国人李察·诺伯（Richard Noble）和英国陆基防空飞弹空气动力学专家朗·艾尔（Ron Ayers）合作设计的喷射动力车，使用两具原本是用于英国皇家空军F-4幽灵二式（Phantom II）战斗机的军用版劳斯莱斯「斯佩」系列涡扇引擎（Rolls-Royce "Spey"）做为动力来源，包括初期用来测试车辆基本稳定性、输出较小的Spey Mk 202。^[28]

斯贝发动机是在“叶轮机械三元流动理论”基础上研制而成，叶轮机械是在旋转的轮子上装上叶片，通过叶片与流体进行作功量交换的动力机械总称。1950年，吴仲华在纽约美国机械工程师学会年会上宣读论文，正式提出这一理论，后来被学界定为“吴氏通用理论”，理论中的基本方程则被称为“吴氏方程”，吴仲华的讲学录像曾一度被NASA作为培训教材。与常规的涡轮喷气发动机相比，斯贝发动机具有推力大、耗油低、可维护性好、使用寿命长的特点。^[29][30]

斯贝发动机最早的版本之一是RB.141，它是为了超音速飞行而被研制出来的。多年来，该发动机逐渐演变成不同的型号，如RB.163-1、RB.163-2和RB.163-2W。RB.163 Mk.505-5是为20世纪60年代和70年代的客机三叉戟设计的。其发展为更强大的发动机如RB.163 Mk.505-14、RB.163 Mk.506-5和RB.163 Mk.506-14铺平了道路。军用飞机也采用了斯贝发动机，其中RB.168 Mk.101为冷战时期的舰载攻击机布莱克本海盗S2提供动力。英国军方使用的麦克唐纳·道格拉斯F-4鬼怪II战斗机经过改装，装备了RB.168 Mk.202斯贝发动机，使其速度更快、更灵活。霍克·西德利公司的“猎迷”MR1/MR2、R1和AEW侦察机则分别使用了RB.168 Mk.250和RB.168 Mk.251发动机。^[15]

劳斯莱斯斯贝是一款低涵道比涡扇发动机，以其可靠性和多功能性而著称。在其众多衍生型号中，斯贝Mk202应用最为广泛。斯贝Mk 202发动机长204.9英寸，直径43.0英寸，重量达4,093磅。其轴流式压气机配备有5级低压（LP）叶片和12级高压（HP）叶片，并采用10个环形燃烧室。涡轮部分由两级低压叶片和两级高压叶片组成。^[15]

在性能方面，斯贝Mk 202干推力可达12,140磅力，但在重新加热时，推力可提升至惊人的20,500磅力。其压缩率同样值得注意，每秒可压缩204磅的空气。该发动机的推重比为 5:1，斯贝Mk 202的另一大亮点是其燃油经济性。在加力燃烧室工作时，其单位推力油耗为 1.95磅/（磅力·小时），而在军用推力下则为0.63 磅/（磅力·小时），这使得它获得众多航空公司和军用飞机的青睐。^[15]

装备有RB.163 Mk.511-8斯贝发动机的美国湾流公司产“湾流”II于1966年10月2日首飞，1967年12月开始服役。1978年，美国湾流公司收购格鲁曼公司的GA飞机生产线后推出了改进型“湾流”III飞机，该机型于1979年12月2日首飞。^[27][6]

斯贝发动机的衍生型号RB163也被用于民用飞机，如BAC One-Eleven和福克F28，分别搭载了RB.163 Mk.511-14和RB.183 Mk 555-15发动机。^[15]

涡扇-9双转子加力式涡轮风扇发动机是中国红旗机械厂根据1975年与英国罗耳斯·罗伊斯公司签订的斯贝MK202生产专利合同仿制，涡扇-9最大加力推力9305千克，最大军用推力5557千克，中间状态推力4692千克，最大连续推力4692千克，最大军用耗油率0.684千克/时，推重比5.85，空气流量92.5千克/秒，涵道比0.62，总增压比20，涡轮前温度1167摄氏度，直径1093.32毫米，最大长度5205毫米(喷口全张开)。^[9]

由于斯贝发动机最终被选作“飞豹”的发动机，为配合“飞豹”的生产很快就将引进的40多台发动机耗尽，其中至少有2台发动机由于存放过久，保养不利而被废弃。同时由于无法实现完全的国产化，使得“飞豹”的生产也限于停顿之中。为保证歼“飞豹”的生产，中国被迫从英国引进了一批早已封存多年的斯贝涡扇发动机并试图与英国恢复合作制造。^[9]

斯贝发动机的衍生型号运用广泛，除了航空外，还存在多款船用版本，如以斯贝涡扇发动机为核心的SM1A燃气轮机压比为19，热效率达到了35%，油耗240克/千瓦。劳斯莱斯海洋斯贝发动机作为SM1A可提供18,770轴马力，作为SM1C则可提供26,150轴马力。^[15][31]

参考资料：^[32]

在英国工作期间，吴仲华提出了“三元”原理，英国罗罗公司根据该理论发明了斯贝发动机，因此被誉为“斯贝发动机之父”。事实上，现代喷气发动机仍然是根据这个原理设计的。1954年，吴仲华不顾英国的挽留，选择了回国。但是令他没想到的是，在1958年反右中，他受到了重点批判，被认为思想右倾；1964年“四清运动”中，吴仲华再次被打倒；1966年文革爆发后，则被关进牛棚接受改造。斯贝是采用三元流技术的发动机，1992年吴仲华去世前，他叮嘱去看望他的学生：“好好干，把三元流动理论搞下去。”后来他几乎说不出话了，有人来看望时，便看着一生琴瑟和谐的伴侣李敏华说，“我想说的她都知道。”在场的人都明白，吴仲华心底的那句话一定是：中国人搞出的理论，一定要为中国人民服务。^[29][33]

1972年，中国开始与英国接触讨论引进其“斯贝”MK511型民用涡扇发动机的可能。1975年12月13日，中、英双方签订了“斯贝”MK202型发动机的引进合同。2003年7月17日，国产化涡扇-9通过国产化工程技术鉴定，获准投入批量生产。实现全国产的涡扇-9被命名为“秦岭”。^[19][3]

越南战争期间，美军装载有斯贝”发动机的“鬼怪”战斗机服役于皇家海军，最大速度减少了0.2马赫，但加速性能得到改善。“鬼怪”战斗机在美国海军中一直服役到1986年10月18日。^[34]

2020年12月，美国商务部公布新的“军事最终用户”清单，58家中国公司中有八成与航空相关。早在2020年初对中国商飞禁运的传闻，就一度引发国内对C919发动机可能断供的担忧。2020年的一头一尾，美国狙击的重点都是中国的航空工业，尤其是发动机。^[35]