將燃料的熱能或其他形式的能轉變為機械能,為飛機或其他航空器提供動力的裝置。其性能是決定航空器性能的主要因素之一。現代航空發動機具有推重比大,迎風面積小,起動、加速快,適應機動飛行,使用、維修簡便,工作可靠等特點。

  分類 航空發動機的簡要分類見圖1:

圖1 航空發動機的簡要分類

  簡史 從1903年世界上第一架飛機試飛成功到第二次世界大戰結束前,飛機的動力裝置基本上都是活塞式發動機。經過幾十年的發展,這種發動機日臻完善,功率從12馬力提高到4000馬力以上。裝有這種發動機的飛機,最大飛行速度達750公裡/小時左右。由於活塞式發動機的功率和螺旋槳效率不能適應飛機繼續增速、突破“音障”和提高升限的需要,第二次世界大戰中出現瞭噴氣式發動機。

  中國早在北宋時期,就應用噴射火藥燃氣的反作用原理制成最簡單的火箭,並出現瞭與燃氣渦輪原理相同的走馬燈。1903年,俄國科學傢Κ.Э.齊奧爾科夫斯基提出瞭應用噴氣反作用原理的液體火箭發動機的設想。1937年,英國發明傢F.惠特爾試驗成功第一臺渦輪噴氣發動機。1939年8月,裝有德國設計師H.P.von奧海恩設計的Hes-3B渦輪噴氣發動機的飛機首次飛行。第二次世界大戰期間,德國將脈動噴氣發動機裝在V-1導彈上。50年代,航空燃氣渦輪發動機得到廣泛使用,比較著名的有美國的J-79、蘇聯的P11Φ-300等渦輪噴氣發動機,其推重比達5以上。50年代中期,研制成功渦輪螺旋槳和渦輪軸發動機,活塞式發動機便逐步為它們所取代。60年代初,研制成功的渦輪風扇發動機,很快成為大、中型轟炸機和運輸機的主要動力裝置。70年代,帶加力裝置的高推重比的渦輪風扇發動機,已成為高速殲擊機和強擊機的主要動力裝置,如美國的F100-PW-100,英國、聯邦德國和意大利合作研制的RB-199等,其推重比均高達8以上。

  50年代末,為適應發展垂直/短距起落飛機的需要,英國研制瞭"飛馬"型渦輪風扇發動機,以後裝在“鷂”式飛機上。它通過4個可以轉向的噴口,改變推力方向,使“鷂”式飛機實現瞭垂直/短距起落。同時,為實現短距起飛,還進一步發展瞭升力發動機(一種燃氣渦輪發動機)和火箭助推器。先進的升力發動機推重比已達27以上。

  中國於50年代成批生產瞭渦輪噴氣發動機,以後又生產出其他類型的燃氣渦輪發動機。

  基本組成和工作原理 活塞式發動機由氣缸、活塞、連桿、曲軸、機匣、氣門機構、減速器等部件和燃料、潤滑、冷卻、點火、起動等系統組成。通常還裝有增壓器,以提高發動機的功率和改善發動機的高空性能。發動機工作時,燃料(航空汽油)與空氣組成的混合氣在氣缸內燃燒,驅動活塞作往復直線運動,從曲軸上輸出機械功,經減速器帶動螺旋槳或旋翼旋轉而產生拉力或升力。

  噴氣式發動機中,應用較廣的是渦輪噴氣、渦輪螺旋槳、渦輪軸和渦輪風扇發動機。由於它們都裝有燃氣渦輪,所以統稱為燃氣渦輪發動機。脈動噴氣發動機、沖壓噴氣發動機和火箭發動機在飛機上較少使用。

  渦輪噴氣發動機(圖2a)主要由壓縮器、燃燒室、渦輪、噴管等部件和燃料、潤滑、起動等系統組成。發動機工作時,空氣流經壓縮器,壓力提高,隨即流入燃燒室與形成霧狀的燃料(航空煤油)混合後燃燒,產生高溫高壓燃氣,推動渦輪高速旋轉,帶動壓縮器和有關附件工作,燃氣最後在噴管中膨脹加速,高速噴出,使發動機產生推力。渦輪螺旋槳發動機(圖2b)由渦輪經減速器帶動螺旋槳旋轉而產生拉力;同時利用排出的燃氣,還能產生少量的推力(占總推力的10%左右)。渦輪軸發動機(圖2c)主要用於直升機,通過動力渦輪把功率傳給輸出軸,經減速器帶動旋翼旋轉。渦輪風扇發動機(亦稱內外涵噴氣發動機或雙路式噴氣發動機,(圖2d)由渦輪噴氣發動機加風扇和外殼組成,按風扇的位置分前風扇、後風扇兩種。進入發動機的空氣分為兩路:內路空氣從內涵道流過,其工作和流動情況,同一般渦輪噴氣發動機基本一樣;外路空氣經風扇增壓後從外涵道流過。內、外涵道同時產生推力。

圖2 航空發動機構造示意圖

幾種軍用航空燃氣渦輪發動機性能簡表

  在軍用渦輪噴氣和渦輪風扇發動機中,為提高發動機的最大推力,通常在渦輪與噴管之間裝有加力燃燒室(圖2a、d),也有的在壓縮器或燃燒室的進口,噴射水或酒精等,用以短時間增大推力。有的渦輪風扇發動機,不僅在內路而且在外路也噴油燃燒,以增大推力。使用加力可使發動機推力增大30~70%,但耗油率也隨之增大2~2.5倍。由於受加力燃燒室材料強度等限制,加力裝置一般隻允許短時間使用。

  現狀和發展趨勢 上表介紹的是80年代初軍用航空燃氣渦輪發動機的主要性能。但為提高燃氣渦輪發動機的性能,目前已采用的技術有:高增壓比的壓縮器,發煙度低的環形燃燒室,冷卻式高溫渦輪,高精度電子調節系統,能及時發現故障的監控技術,便於檢查、更換的單元體結構,應用強度高、重量輕的鈦合金及復合材料。為滿足軍用飛機不斷發展的需要,今後將繼續改進各種類型的高推重比加力渦輪風扇發動機;研制超音速巡航殲擊機使用的連續放氣式渦輪噴氣發動機,超音速垂直/短距起落飛機使用的推力換向發動機和升力發動機,直升機使用的渦輪軸渦輪風扇發動機,運輸機使用的渦輪螺旋槳風扇發動機和變循環發動機;繼續研制各種類型的組合式發動機(渦輪-沖壓、火箭-沖壓、火箭-渦輪等);解決原子能發動機的小型化和安全保護問題;在部件方面,除繼續提高壓縮器、燃燒室和渦輪的性能外,進一步解決超音速進氣道與發動機的匹配協調問題,完善單元體結構和狀態監控技術,提高發動機的可靠性和可維修性。

  

參考書目

 西北工業大學等合編:《航空燃氣渦輪發動機原理》,國防工業出版社,北京,1981。

 C.M.施利亞赫欽科主編,王振華等譯:《空氣噴氣發動機原理》,國防工業出版社,北京,1982。

 J.L.克裡佈洛克著,謝竹虛等譯:《飛機發動機和燃氣渦輪》,國防工業出版社,北京,1983。

 (J.L.Kerrebrock,AircraftEngines and Gas Turbines,MIT Press,1978.)