航空发动机是什么?关于航空发动机的详细介绍

创闻科学2020-11-23 15:49:24

航空发动机(Aero-engine)是用来产生推力使飞机前进的发动机设备。先进的飞行器需要强大的心脏,航空发动机正是飞行器的动力来源。航空发动机是非常复杂的高端机械,工作条件具有“高温,高压,高速”的特点:工作温度高,内部各处的温度不同且不断变化;气体压力大,工作载荷高;转子转速高,以及承受环境和机动飞行给发动机带来的各种影响。航空发动机需要在质量和体积受严格限制的前提下产生强大的推力,长时间可靠的工作,其性能还要能灵活精确地调节控制,对设计制造工艺提出极高要求。因此,航空发动机被誉为是”现代工业皇冠上的明珠“。航空发动机直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。

概述

航空发动机是飞行器的动力之源。自1903年问世至今一百多年以来,航空发动机经历了两个主要发展时期,1903年至1945年为活塞式发动机统治时期,1945年至今是喷气式发动机时代,未来还会有冲压发动机,爆震发动机登场。航空发动机作为飞行器的最核心部件,将在很大程度上影响飞行器的发展进程。

航空发动机分类

按结构来分,目前使用的航空发动机可以分为活塞发动机,涡喷发动机,涡扇发动机,涡轴/涡浆发动机。其中活塞发动机属于内燃机,涡喷、涡扇、涡轴/涡浆发动机属于燃气轮机。

活塞发动机

活塞发动机(piston engine)属于内燃机的一种。通常指使用往复式活塞,输出轴功为主的内燃机。由于其热效率高,体积小,重量轻,组合空气螺旋桨,完全适用于为飞机提供动力。

1903年12月17日,美国的莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行,该次飞行所用的发动机就是四冲程直排卧式活塞式汽油发动机。在一战中,活塞发动机崭露头角,飞机开始在战争中承担起侦察和作战的职能。第二次世界大战期间是活塞发动机的主流时代,活塞发动机广泛应用于航空领域。 其中,最著名的星型发动机是普惠R-2800双黄蜂引擎。这是一台双排18缸气冷星型航空发动机,至今仍被视为活塞航空发动机的代表作。

由于活塞发动机效率有限,结构不够灵活,难以达到音速。目前活塞发动机只用于低速小型通用飞机上。

涡喷发动机

涡喷发动机即涡轮喷气发动机(Turbo engine),其特点是完全依赖燃烧后产生的高速气流产生推力。经过一、二战的发展活塞发动机的应用已经达到了极限,人们为了追求更高的速度,提出了喷气式发动机。涡喷发动机属于轴流式发动机,与活塞式发动机具有完全不同的结构,在效率方便具有重大的突破。涡喷发动机将人类带入超音速时代。

1937年英国科学家弗兰克·惠特尔实现了世界首台喷气式发动机的成功实验,自此涡喷发动机逐步发展,并在20世纪40~50年代发展出马赫数1一级的第一代单转子发动机,50~60年代发展出马赫数2~3级的双转子加力式涡喷发动机,全面取代活塞式发动机成为飞机的主流动力。

图2-2展示了涡喷发动机的典型结构。涡喷发动机一般由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮以及喷管等部件组成,其中压气机、燃烧室、涡轮组成了发动机的核心机。涡喷发动机的主要流程都是在核心机中完成,包括空气的压缩、燃烧、涡轮做功等。空气经进气道进入发动机后,首先经过压气机,减速增压后进入燃烧室,高压空气与燃料掺混,点火燃烧,形成高温气体,高温气体膨胀驱动涡轮工作,涡轮一部分的功率带动前面的压气机工作,大部分功率是燃气经喷管排出而产生推力。现代战斗机需要短时间增加推力时,就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油,让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧,可使发动机的推力增加至1.5倍左右。

涡喷发动机的优点是高速性能,特别是高空高速性能较好。目前涡喷发动机仍在大量飞机上使用,但不再更新换代。进入20世纪80年代后,涡喷发动机逐渐被气动效率更高,燃油效率更高,经济性能更好的涡扇发动机所取代。

涡扇发动机

涡扇发动机即涡轮风扇发动机(Turbofan engine),是目前军用战斗机和民用民航客货飞机的主流动力机械。涡扇发动机与涡喷发动机的核心机相同,大部分结构相似。涡扇发动机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燃气共同产生推力的燃气涡轮发动机。

涡扇发动机由两种典型形式:大涵道比涡扇发动机和小涵道比涡扇发动机。大涵道比涡扇发动机从外观上更粗,也就意味着首级扇叶更大,有更多的空气流过外涵道。大涵道比涡扇发动机主要用于民航客机,运输机等不需要机动性能的飞机。由于其油耗比较低,经济性能好,安全性高,是目前民航客机的最优动力源。CFM56是由CFM国际制造的大涵道比涡轮风扇发动机,共制造了超过20,000台,使用于波音737、空客A320、空客A340-200等飞机上,每天有超过300万位乘客,乘坐由CFM提供发动机的飞机出行,CFM-56为目前世界上使用最为普遍的涡扇发动机之一。

小涵道比涡扇发动机从外观上和涡喷发动机比较相似,主要是外涵道比较小,这样兼顾了经济性和发动机的机动性,因此广泛用于军用飞机上。普惠 F119是一款装备于F22的加力涡轮扇发动机,是目前在役最先进发动机之一。

目前,涡扇发动机的两个发展方向是低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机。再未来的几十年内,涡扇发动机仍是飞机的主流动力。

涡轴和涡浆发动机

涡轴和涡浆发动机的特点是把输出功率全部传递给输出轴,通过“轴”来传输动力。

涡轴发动机即涡轮轴发动机(Turboshaft engine),主要应用于直升机上,通过输出轴带动螺旋桨转动进而为飞机提供动力。从20世纪50年代开始,涡轮轴发动机用于直升机,到20世纪60年代,短短的十几年,涡轴发动机以其重量轻、体积小、易起动而功率大等诸多优点完胜活塞发动机,被装进了几乎所有的新研制2000kW以上直升机。涡轴发动机主要由进气道,压气机,燃烧室,涡轮,体内减速装置、传动装置以及排气道组成,典型结构如图2-5所示。

由于涡轴发动机的输出功率全部集中在轴上,几乎不靠喷气功率,因此在坦克、船舶上都有使用。

涡浆发动机即涡轮螺旋桨发动机(Turboprop engine),实际上是在涡轮喷气发动机的基础上,多加了两个部件:一副螺旋桨和一套减速齿轮。涡桨发动机以螺旋桨产生的拉力(推力)为主,喷气所产生的的推力很小,只占螺旋桨的九分之一左右。

涡浆发动机可以视为涵道比无限大的涡扇发动机,其优点是效率高,油耗低,在低海拔和中海拔高度动力性能更优异。但是使用涡桨引擎的飞机速度通常较涡轮风扇发动机的飞机来的低。原因过高的发动机转速会造成其桨叶端部分速度很高,有产生激波的可能。因此发动机转速不能过快。目前涡浆发动机主要用于对机动型要求不高的远程轰炸机、运输机等军机,中小型客机,和水上飞机等通用飞机。

未来航空发动机

变循环发动机

目前涡喷涡扇型发动机的工作原理已经基本成熟,除非出现物理学的突破,其工作效率难以大幅度提升。变循环发动机(Variable cycle engine)是目前航空发动机满足第六代战机性能要求一个主要突破方向。变循环发动机是指能够在不同飞行状态下,通过改变一些部件的几何形状、尺寸或者位置,从而使发动机内部结构的空气流动路线变动,使发动机热力循环发生改变。所以它可以利用变循环改变发动机循环参数,如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比,可以使发动机在各种工作状态下都有良好性能。简单来说,涡喷发动机就只能以涡喷模式工作,涡扇发动机就只能以涡扇模式工作。而变循环是一种完全革新的发动机设计理念——能够以多种模式工作,根据不同的飞行状态选择不同的工作模式。

目前可以查证已经出现的变循环发动机有两种。二十世纪六十年代,为SR-71黑鸟超音速战机提供动力的普惠J-58发动机,是世界上第一台实用的变循环发动机。其结构如图3-2所示。该发动机以涡喷发动机为基础,在涡喷发动机入口前加装冲压装置。在黑鸟低速飞行时发动机以涡喷形式工作;当高速飞行,速度达到3马赫时,内部排气活门打开,压气机中的一部分气流通过内部活门进入涡轮旁路通道,直接进入加力燃烧室,这时发动机以压缩机辅助冲压发动机方式工作。J-58变循环的原理并不太复杂,之后出现的另一款发动机完美将涡喷和涡扇结合起来。二十世纪八十年代,美国通用电气(GE)公司设计出YF-120发动机,兼顾了亚音速状态的省油特性和超音速时涡喷的高速特性,图3-3为YF-120的经典设计图。GE所设计的YF-120发动机本来是为美国F-22战机提供动力,但由于该技术在当时过于“先进”,反而在竞标中败给普惠公司(PW)的F-119。但YF-120的设计思路是以后变循环发动机的发展基础。

虽然看起来变循环发动机是通过一些简单的内部结构改变才实现了变循环的功能,但就这一点想要实现起来其实异常困难。航空发动机是在高温高压和极高转速下工作的,这时若有结构变换会极易损伤发动机部件导致出现安全问题,挡板的偏移也会带来气流的瞬时畸变导致发动机工作不稳定甚至停车。变循环发动机的发展仍有很长的路要走。

进入21世纪,尤其是近十年来,美军认为更先进的变循环发动机——自适应变循环发动机(Adaptive variable cycle engine)是重点发展方向。目前,美国正在发展带第三个涵道的自适应发动机,其技术特征是第三个涵道内的气流温度较低,可用于提取更多的功率和实现更好的热管理,也可减小安装阻力,改进进气道总压恢复,降低排气温度,减少红外信号。

2014 年7 月,美国GE 公司公布了在俄亥俄州实验室进行的新型发动机ADVENT 样机演示的画面,表明已经实现了初步实现自适应变循环的技术。自适应变循环发动机不仅可以满足未来军民用飞机的长航时、长航程、高速度和隐身等方面的要求,而且也可以满足民用客货机低油耗,长航程的动力需求,是当前世界航空发动机领域的发展重点,未来有可能代替涡扇发动机成为军用民用飞机的主流动力。

冲压发动机

冲压发动机(Ramjet)是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。对于涡喷,涡扇和涡轴/涡浆发动机,它们都属于燃气轮机。其工作原理都需要压气机对空气进行减速增压,压缩后的空气才能具有更高的燃烧效率。另一方面,飞行器飞得越快,迎面而来的空气就越快,当快到几倍音速时,空气自然就得到了压缩。因此就不需要压气机了。高压空气进入燃烧室,混入燃油,剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。冲压发动机无需压气机,进气口和燃烧室就是发动机的主要部件。相对来说,冲压发动机结构简化,效率提高。

冲压发动机适用于导弹和高超音速飞行器上。目前还在试验阶段的,还未在飞行器上大规模应用。

爆震发动机

爆震发动机或脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)是结构不同于燃气轮机的新型发动机。其特别之处是利用燃料爆轰产生的爆轰波达到压缩作用的新型热力,以喷气获得反作用力。

爆震燃烧产生的爆震波使可爆燃料的压力、温度迅速升高,因此,爆震燃烧的发动机可以不用传统的压气机就达到对气体进行压缩的目的,使发动机结构大大简化。当爆震频率很高时(达到80~100Hz),就可以产生连续的推力。PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。没有压气机和涡轮,PDE结构简单,质量减少。总结来说,PDE具有结构简单、尺寸小(不大于2米)、重量轻、成本低、可在零速度下使用、燃烧效率高、高速性能优越等优点。

爆震发动机可以吸气式和火箭式两种模式工作。例如在马赫数0~3和更高的范围内以有效的吸气式推进,然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此,有学者将脉冲爆震发动机成为“梦幻动力“。

主要制造商

世界三大航空发动机生产商分别是:美国通用电气(General Electric Company,简称GE)、英国罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce,简称RR)、普拉特·惠特尼集团公司(Pratt & Whitney Group,简称PW)。

(1)GE公司

GE公司是航空发动机领域的老牌公司。在民用方面,CF6系列高涵道比民用航空发动机,相继装备了诸多民航飞机,包括波音747、767,麦道DC-10、MD-11,空客A300、A310、A330。 GE公司和法国赛峰公司共同组建的CFM公司设计生产的CFM56涡扇发动机,被波音的737、空客的A319/320/321大量采用,成为迄今最成功的民用涡扇发动机之一。而基于CFM-56开发的LEAP-X,成为新一代的波音737MAX,空客A320neo和中国商飞C919的动力首选。在军用方面,低涵道比的F110,于1985年初定型投产并开始交付。F110发动机大量装备美国F-14,F-15/16。虽然近几年GE在F-22和F-35两款最先进战机的发动机竞标中败北,但其积累的变循环发动机技术将在下一轮竞争中脱颖而出。

(2)RR公司

RR公司于1906年在英国正式成立,成立之初产品为汽车和航空发动机。1971年负债亏损导致破产后在英国政府干预下将RR公司一分为二,分为汽车(劳斯莱斯)与航空发动机两间公司。其代表产品有二十世纪七十年代的“斯贝”发动机,二十世纪八十年代的“RB-211”发动机,二十世纪九十年代参与研制的“V2500”发动机。二十一世纪以来,“遄达”系列发动机是RR公司推力最大、性能最好的大涵道比民用涡扇发动机。RR公司的三转子涡扇发动机是其特色产品,目前RR公司正在大力发展大涵道比航空发动机的“超扇”(Ultra fan)技术。

(3)PW公司

普惠公司(PW)是美国一家在全球拥有服务业务的航空制造商,它是联合技术公司子公司,总部位于康涅狄格州东哈特福德。PW公司的飞机发动机广泛应用于民用航空和军用航空领域。该公司的主要产品包括用于波音777的PW4000发动机;用于F-22猛禽战斗机的F119发动机以及用于F-35闪电战斗机的F135发动机。其中,F119和F135标志着目前世界航空发动机最高水平。PW公司的新一代发动机是“洁净能源”(Pure power)系列,其主要技术热点是齿轮驱动风扇(Gear turbo fan, GTF)技术。

(4)其他公司

此外,法国斯奈克玛公司,俄罗斯“留里卡-土星”公司也是世界上鼎足轻重的航空发动机制造商。美国联合技术公司(United Technologies Corporation, UTC),国际航空发动机公司(International Aero Engines,IAE),CFM公司等合资公司也是航空发动机主要制造商。

结语

航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。航空发动机具有研制周期长,技术难度大,耗费资金多等特点,当今世界能够独立研制航空发动机并形成产业规模的也仅仅只有中、美、俄、英、法等五国,其中军用航空发动机被美、俄、英主导。航空发动机的产业发展之路仍然任重而道远。