有動力的飛行可以說是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。而作為飛機(jī)動力的航空發(fā)動機(jī)，則是人類在氣動、材料、制造工藝、工業(yè)設(shè)計、工程管理等多個領(lǐng)域最高智慧結(jié)晶的產(chǎn)品。
那么究竟航空發(fā)動機(jī)是如何分類的呢？它們各自的工作原理又是什么呢？今天飛寶將使出洪荒之力，給大家說說航空發(fā)動機(jī)的那點(diǎn)事兒。由于篇幅有限，飛寶今天主要為大家介紹最常見的活塞發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
1903年，萊特兄弟制造出一架裝有兩個推進(jìn)式螺旋槳的雙翼飛機(jī)，這架飛機(jī)采用了由他們自制的功率約為9千瓦的活塞式發(fā)動機(jī)。雖然今天看來，這臺發(fā)動機(jī)的性能并不先進(jìn)，但它卻是世界上第一種飛上天的航空發(fā)動機(jī)。
時至今日，航空發(fā)動機(jī)已經(jīng)形成了一個種類繁多，用途各不相同的大家族。但一般來說，目前主流的航空發(fā)動機(jī)主要分為3個大類，分別是活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和沖壓噴氣機(jī)。由于沖壓噴氣機(jī)主要用于超音速客機(jī)，因此小編在此就不再展開詳述。
先說說歷史最悠久的活塞式發(fā)動機(jī)，它具有耗油低、成本低、工作可靠等特點(diǎn)，在噴氣式發(fā)動機(jī)發(fā)明之前的近半個世紀(jì)內(nèi)，是唯一可用的航空飛行器動力裝置。作為第一臺飛上藍(lán)天的航空發(fā)動機(jī)，活塞發(fā)動機(jī)對航空技術(shù)的發(fā)展作出了巨大的歷史性貢獻(xiàn)。
▲塞斯納經(jīng)典單發(fā)活塞系列飛機(jī)
但由于發(fā)動機(jī)功率與飛行速度的三次方成正比，隨著飛行速度的提高，要求發(fā)動機(jī)功率不斷增加，從而使其重量和體積都隨之迅速增加。另一方面，在接近聲速時，螺旋槳的效率會急劇下降，也限制了飛行速度的提高。因此，為了進(jìn)一步提高飛行速度，尤其要達(dá)到或超過聲速時，就必須采用新的動力裝置。因此也就有了后來的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
目前在一些輕型飛機(jī)、超輕型飛機(jī)通用飛機(jī)上我們依然能夠看見活塞發(fā)動機(jī)的身影。如塞斯納公司的C172飛機(jī)就是一款非常經(jīng)典的單發(fā)活塞飛機(jī)，如今這款飛機(jī)在全球的銷量已經(jīng)達(dá)到了近5萬架，這在世界飛機(jī)銷售史上可謂是絕無僅有的。
二戰(zhàn)以前，活塞發(fā)動機(jī)與螺旋槳的組合已經(jīng)取得了極大的成就，使得人類獲得了挑戰(zhàn)天空的能力。但到了20世紀(jì)30年代末，航空技術(shù)的發(fā)展使得這一組合達(dá)到了極限。螺旋槳在飛行速度達(dá)到800千米/小時的時候，槳尖部分實際上已接近了音速，跨音速流場使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風(fēng)面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發(fā)動機(jī)的功率也隨之減小。
彼時，航空業(yè)界亟需一種全新的推進(jìn)系統(tǒng)。實際上，早在1913年，法國工程師雷恩·洛蘭就提出了沖壓噴氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計，并獲得專利。但當(dāng)時沒有相應(yīng)的助推手段和相應(yīng)材料，噴氣推進(jìn)只是一個空想。1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計。11年后他設(shè)計的發(fā)動機(jī)首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的鼻祖。
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)簡稱“渦噴發(fā)動機(jī)”，通常由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發(fā)動機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。
▲渦噴發(fā)動機(jī)原理圖
這類發(fā)動機(jī)具有加速快、設(shè)計簡便等優(yōu)點(diǎn)，是較早實用化的噴氣發(fā)動機(jī)類型。但如果要讓渦噴發(fā)動機(jī)提高推力，則必須增加燃?xì)庠跍u輪前的溫度和增壓比，這將會使排氣速度增加而損失更多動能，于是產(chǎn)生了提高推力和降低油耗的矛盾。而渦噴發(fā)動機(jī)油耗大，對于商業(yè)民航機(jī)來說是個致命弱點(diǎn)。也正因為如此，目前渦噴發(fā)動機(jī)僅少量應(yīng)用于軍用飛機(jī)，民用航空市場基本上不再采用這一類發(fā)動機(jī)。
取而代之的是目前使用較多的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，簡稱“渦扇發(fā)動機(jī)”，由渦噴發(fā)動機(jī)發(fā)展而來，由風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)（髙涵比渦扇特有）、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、驅(qū)動壓氣機(jī)的高壓渦輪、驅(qū)動風(fēng)扇的低壓渦輪和排氣系統(tǒng)組成。最早的實用化的渦扇發(fā)動機(jī)是普惠公司的JT3D渦扇發(fā)動機(jī)。1960年，羅羅公司的“康威”（Conway）渦扇發(fā)動機(jī)開始被波音707大型遠(yuǎn)程噴氣客機(jī)采用，成為第一種被民航客機(jī)使用的渦扇發(fā)動機(jī)。20世紀(jì)60年代洛克希德?馬丁公司“三星”客機(jī)和波音747客機(jī)采用了羅羅公司的RB211-22B大型渦扇發(fā)動機(jī)，標(biāo)志著渦扇發(fā)動機(jī)的全面成熟。
與渦噴發(fā)動機(jī)相比，渦扇發(fā)動機(jī)效率高，油耗低，飛機(jī)的航程就遠(yuǎn)。但渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)復(fù)雜，尤其是如何將風(fēng)扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內(nèi)涵道，是極大的技術(shù)難題。但渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)復(fù)雜，尤其是大涵道比涉及到方方面面的技術(shù)和適航，同業(yè)競爭等因素，當(dāng)前有能力研發(fā)且占領(lǐng)市場的屈指可數(shù)。目前國內(nèi)只有個別軍機(jī)配裝了渦扇發(fā)動機(jī)，而民用渦扇發(fā)動機(jī)尚在研發(fā)階段。
▲一臺GE90發(fā)動機(jī)在MTU漢諾威航空發(fā)動機(jī)維修廠進(jìn)行試車前準(zhǔn)備
▲GE航空集團(tuán)首臺GE9X整機(jī)開始測試
▲普惠最新的GTF系列發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)線
渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)（簡稱渦槳發(fā)動機(jī)）和渦軸發(fā)動機(jī)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的另外兩個分支，其主要用于支線飛機(jī)和直升機(jī)上。
渦軸發(fā)動機(jī)具有渦噴發(fā)動機(jī)的大部分特點(diǎn)，也有進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管等基本組件。其特有的自由渦輪位于燃燒室后方，高能燃?xì)鈱ψ杂蓽u輪作功，通過傳動軸、減速器等帶動直升機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)，從而升空飛行。
渦軸發(fā)動機(jī)首次試飛是在1951年12月。作為直升機(jī)的新型動力，兼有噴氣發(fā)動機(jī)和螺旋槳發(fā)動機(jī)特點(diǎn)的渦軸令直升機(jī)的發(fā)展更進(jìn)一步。當(dāng)時渦軸發(fā)動機(jī)還劃入渦輪螺槳發(fā)動機(jī)一類。隨著直升機(jī)的普及和其先進(jìn)性能的體現(xiàn)，渦軸發(fā)動機(jī)逐漸被視為單獨(dú)的一種噴氣發(fā)動機(jī)。
1950年時，透博梅卡公司研制成“阿都斯特-1”（Artouste-1）渦輪軸發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)只有一級離心式葉輪壓氣機(jī)，有兩級渦輪的輸出軸，功率達(dá)到了206千瓦（280軸馬力），成為世界上第一臺實用的直升機(jī)渦輪軸發(fā)動機(jī)。首先裝用這種發(fā)動機(jī)的是貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的Bell47，1954年該機(jī)首飛。到了20世紀(jì)50年代中期，渦軸發(fā)動機(jī)開始為直升機(jī)設(shè)計者所大量采用。
▲貝爾407GX
渦槳發(fā)動機(jī)的驅(qū)動原理大致上與使用活塞發(fā)動機(jī)作為動力來源的傳統(tǒng)螺旋槳飛機(jī)雷同，是以螺旋槳旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的力量來作為飛機(jī)前進(jìn)的推進(jìn)力。這與其結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。通俗的來說，渦槳發(fā)動機(jī)介于渦噴與活塞螺旋槳之間，在渦輪后再加一個自由渦輪，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，燃料利用率提高，省油。但速度快時螺旋槳翼尖易達(dá)到音速，導(dǎo)致效率降低，阻力也大，所以飛行速度不高。目前，渦槳發(fā)動機(jī)主要運(yùn)用于渦槳支線飛機(jī)，如我國的新舟700飛機(jī)選用的就是普惠公司研制的PW150C渦槳發(fā)動機(jī)。
螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，簡稱“槳扇發(fā)動機(jī)”，是一種介于渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)之間的一種發(fā)動機(jī)形式，其目標(biāo)是將前者的高速性能和后者的經(jīng)濟(jì)性結(jié)合起來，目前正處于研究和實驗階段。
槳扇發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)由燃?xì)獍l(fā)生器和一副螺槳-風(fēng)扇（因為實在無法給這個又象螺旋槳又象風(fēng)扇的東東起個名字，只好叫它螺槳-風(fēng)扇）組成。螺槳-風(fēng)扇由渦輪驅(qū)動，無涵道外殼，裝有減速器，從這些來看它有一點(diǎn)像螺旋槳。但是它的直徑比普通螺旋槳小，葉片數(shù)目也多（一般有6~8葉），葉片又薄又寬，而且前緣后掠，這些又有些類似于風(fēng)扇葉片。
根據(jù)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的原理，在飛行速度不變的情況下，涵道比越高，推進(jìn)效率就越高，因此現(xiàn)代新型不加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比越來越大，已經(jīng)接近了結(jié)構(gòu)所能承受的極限。而去掉了涵道的渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)盡管效率較高，但由于螺旋槳的速度限制無法應(yīng)用于M0.8-M0.95的現(xiàn)代高亞音速大型寬體客機(jī)，槳扇發(fā)動機(jī)的概念則應(yīng)運(yùn)而生。
由于無涵道外殼，螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比可以很大，以正在研究中的一種發(fā)動機(jī)為例，在飛行速度為M0.8時，帶動的空氣量約為內(nèi)涵空氣流量的100倍，相當(dāng)于涵道比為100，這是渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)所望塵莫及的，將其應(yīng)用于飛機(jī)上，可將高空巡航耗油率較目前高涵道比輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)降低15%左右。
同渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)相比，螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的可用速度又高很多，這是由它們?nèi)~片形狀不同所決定的。普通螺旋槳葉片的葉型厚度大以保證強(qiáng)度，彎度大以保證升力系數(shù)，從剖面來看，這種葉型實際上就是典型的低速飛機(jī)的機(jī)翼剖面形狀，它在低速情況下效率很高，但一旦接近音速，效率就急劇下降，因此裝有渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的飛機(jī)速度限制在M0.6~M0.65左右。而螺槳-風(fēng)扇的既寬且薄、前緣尖銳并帶有后掠的葉型則類似于超音速機(jī)翼的剖面形狀，這種葉型的跨音速性能就要好的多，在飛行速度為M0.8時仍有良好的推進(jìn)效率，是目前新型發(fā)動機(jī)中最有希望的一種。
當(dāng)然，螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)也有其缺點(diǎn)，由于轉(zhuǎn)速較高，產(chǎn)生的振動和噪音也較大，這對舒適性有嚴(yán)格要求的客機(jī)來講是一個難題。另外，暴露在空氣中的螺槳-風(fēng)扇的包容性,氣動匹配，控制等也是目前研究的難點(diǎn)所在。
目前，歐洲的A400M運(yùn)輸機(jī)和俄羅斯的安70等都選用的這一類發(fā)動機(jī)。
▲A400M軍用運(yùn)輸機(jī)
【漲知識】航空發(fā)動機(jī)分類及原理（詳細(xì)版）
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