科普 | 航空发动机的发展历程与结构原理

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为航空器的“心脏”，是为航空器提供飞行所需动力的装置，约占到飞机整机价值量的20%~30%。航空发动机不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力。

航空发动机还被誉为现代工业的“皇冠”。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。

目前，世界上能够独立研制高性能军用航空发动机的国家只有美、俄、英、中等少数几个国家，民用领域则由美、英两国垄断，技术工艺门槛较高。

而我国的航空发动机历经“引进—仿制—自主研发”几个阶段，有幸能成为世界上仅有的几个能够独立设计、加工、制造并且成功列装航空发动机的国家之一。

今年第十五届中国航展上，我国第一个民用航空发动机系列，签了1500台的意向合同，总金额超过100亿元。成为中国航展创办以来，签约数和签约额最大的发动机订单。

一、世界航空发动机发展历程

航空发动机的历史大致可分为两个时期。第一个时期从首次动力开始到第二次世界大战结束。在这个时期，活塞式发动机统治了40年左右。第二个时期从第二次世界大战至今。60多年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代。

1. 活塞式发动机时代

20世纪30~40年代是活塞式发动机的全盛时期。活塞式发动机加上螺旋桨，构成了所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的动力装置；活塞式发动机加上旋翼，构成所有直升机的动力装置。著名的活塞式发动机有：英国的梅林V型12缸液冷式发动机，功率1120kW，用于“飓风”、“喷火”和“野马”战斗机；美国普拉特·惠特尼公司（简称普·惠公司）的“黄蜂”系列星形气冷发动机，气缸7~28个，功率970~2500kW，广泛用于各种战斗机、轰炸机和运输机。

带螺旋桨的活塞式发动机的最大缺点是飞行速度受到限制（800km/h以下）。一方面，因为发动机需要功率与飞行速度的三次方成正比，随着速度的提高，所需发动机功率急剧增大，而通过增加汽缸数目来增大功率所带来的重量负荷飞机不能承受；另一方面，随着飞行速度的提高，螺旋桨的效率急剧下降并有机毁人亡的危险。因此，为了实现高速飞行，必须寻求新的动力装置，这就是喷气式发动机。第二次世界大战之后，随着涡轮喷气发动机的发展，活塞式发动机逐渐退出了航空领域的霸主地位。

2. 喷气推进新时代

喷气式发动机是一种直接反作用推进装置。低速工质（空气和燃料）经增压燃烧后以高速喷出而直接产生反作用推力。由于喷气发动机没有了限制飞行速度的螺旋桨，而且单位时间流入发动机的空气流量比活塞式发动机大得多，从而能产生很大的推力，使飞机的飞行速度得到极大的提高。

早期的涡轮喷气发动机和飞机尚处于试验阶段，在第二次世界大战中并没有发挥多大的作用，到战后特别是20世纪50年代才获得迅速的发展。战后第一批装备部队使用的喷气式战斗机是1944年美国制造的F—80和1946年苏联制造的米格—9，飞机为平直梯形机翼，发动机推力800~900daN，飞行速度900km/h左右。飞机速度达到声速以后，为了突破“声障”，在涡喷发动机上加装了加力燃烧室，它可以在短时间内加幅度提高推力。以后，战斗机继续向高空高速发展。1958年美国推出F—104战斗机，最大飞行马赫数2.2，使用升限17.68km。动力为J79单转子加力式涡轮喷气发动机，最大推力7020daN，推重比4.63。涡轮喷气发动机在军用战斗机上广泛应用的同时，也被其他机种所选用。首先是轰炸机，随后是运输机、旅客机和侦察机。

如果把20世纪40~50年代研制的单轴涡轮喷气发动机算为第一代，那么50~60年代研制的加力式涡轮喷气发动机为第二代，其循环和性能参数水平为：涡轮前燃气温度950~1100℃，推重比4.5~5.5，不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。

但涡喷发动机有一个致命的缺点，就是耗油率太高，因此在涡喷发动机的基础上，又发展出了涡扇发动机。涡扇发动机与涡喷发动机的区别在于低压压气机变成叶片的风扇，风扇出口气流分成两股通过内外两个环形涵道流过发动机，相当于是涡喷发动机加上风扇及其外涵道的部分。内涵与前述涡轮喷气发动机的情况相同，外涵空气经过涵道直接排出，或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出，或加力补燃后排出。在核心相同的条件下，由于涡轮风扇发动机总空气流量大，排气速度低，所以与涡轮喷气发动机相比，推力大，推进效率高，耗油率低。涡轮风扇发动机实质上仍属于直接反作用式涡轮喷气发动机。

在涡轮喷气发动机蓬勃发展的过程中，驱动飞机螺旋桨和直升机旋翼的动力也实现了涡轮化，又派生出两种新型航空燃气涡轮发动机——涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。

目前全球最广泛应用的航空发动机主要就是喷气式发动机中的涡扇发动机、涡喷发动机、涡浆发动机、涡轴发动机四类，其中涡扇发动机仍是最为核心的航空发动机类型。

二、各类航空发动机结构及原理

1、航空活塞式发动机

1）结构及原理

航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合, 在密闭的容器（气缸）内燃烧、膨胀做功的机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力。所以，作为飞机的动力装置，发动机与螺旋桨是不能分割的。

活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。大多是四冲程发动机。

图1 活塞发动机动画演示图

2）运用领域

在二战以前，全球飞机都采用活塞式航空发动机，二战结束后逐步淘汰。目前性能要求高的军用飞机、大型客机方面，已不再采用。

但该发动机活塞式航空发动机具有能耗低、成本低的优点，可以满足轻型低速飞机需求，在小型低速通用飞机、超轻型飞机、军用中低空无人机等领域仍得到应用。

2、冲压喷气发动机

1） 结构及原理

最简单的喷气式发动机，利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压力的空气喷气发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部分组成。

冲压发动机压缩空气的方法，是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速，将动能转变成压力能（例如进气速度为3倍声速时，理论上可使空气压力提高37倍）。

冲压喷气式发动机按应用范围划分，分为为亚声速、超声速、高超声速三类。虽然出现很早，但高超声速冲压发动机仍然是尖端航空科学技术。

图2 冲压喷气发动机动态演示图

2）运用领域

该类发动机广泛应用在空天飞机、超音速飞机（歼击机、轰炸机）、洲际飞航导弹、中程近程导弹、超音速靶机等领域，拥有巨大发展潜力。

3. 脉动喷气发动机

1）结构及原理

脉动喷气发动机工作时，首先把压缩空气打入单向活门，或使发动机在空中运动，这时便有气流进入燃烧室，然后油嘴喷油，火花塞点火燃烧。

这时长尾喷管在燃气喷出后，由于燃气流的惯性作用，虽然燃烧室内的压强与外面大气的压强相等，仍会继续向外喷，在燃烧室内造成空气稀薄的现象,使压强显著降低到小于大气压，于是空气再次打开单向活门，流入燃烧室, 喷油点火燃烧，开始第二个循环。周而复始，发动机便可不断地工作了。

图3 脉动喷气发动机动态演示图

2）运用领域

脉动式发动机在原地可以启动，构造简单，重量轻，造价便宜。这些都是它的优点。但它只适于低速飞行（速度极限约为800km/h）,飞行高度也有限，单向活门的工作寿命短，加上振动剧烈、燃油消耗率大等，应用受到限制。

4. 涡轮喷气发动机 / 涡轮风扇发动机

所有的涡轮发动机都具备压缩机(Compressor)、燃烧室(combustion)、涡轮机(Turbine，也就是涡轮发动机之名的来源)三大部份。进入的气流在压缩机内被压缩成高密度、高压、低速的气流，气流进入燃烧室后，由供油喷嘴喷射出燃料，在燃烧室内与气流混合并燃烧。燃烧后产生的高热废气，接着会推动涡轮机使其旋转，然后带着剩余的能量，经由喷嘴或排气管排出，至于会有多少的能量被用来推动涡轮，则视涡轮发动机的种类与设计而定。

涡轮喷气发动机（涡喷发动机）属于比较早期的喷气式发动机，油耗高，现在在一些老式飞机，如歼教-9飞机依然采用国产WP-13涡喷发动机。

图4 涡轮喷气发动机动态演示图

而涡轮风扇发动机（涡扇发动机），是在涡轮喷气发动机的的基础上增加了几级涡轮，并由这些涡轮带动一排或几排风扇，风扇后的气流分为两部分，一部分进入压气机（内涵道）后在燃烧室中燃烧；另一部分则不经过燃烧，直接排到空气中（外涵道）。

图5-1 涡扇喷气发动机动态演示图

图5-2 涡扇喷气发动机组成结构

由于涡轮风扇发动机一部分的燃气能量被用来带动前端的风扇，降低了排气速度，提高了推进效率，因此目前广泛运用与民用客机上，比如大名鼎鼎的波音747用的就是4台涡轮风扇发动机。

5. 涡轮螺旋桨发动机

1）结构及原理

为了提高涵道比，增加涡轮风扇发动机的效率，人们索性去掉了风扇的外涵壳体，用螺旋桨代替了风扇，便形成了涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机。涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动。

涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气流量也远大于内涵道，这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。

图6 涡轮螺旋桨发动机动态演示图

2）运用领域

涡轮螺旋桨发动机不但在海平面和飞机起飞条件下可以很好的工作，但由于螺旋桨效率降低的限制，它不能用于高速飞行。

目前在中速远程运输机、旅客机、海上巡逻机、反潜机等常常装用这种发动机。比如我国最近研发成功的AG600鲲龙水上运输机就是用的涡轮螺桨发动机。

6. 涡轮轴发动机

1）结构及原理

在工作和构造上，涡轮轴发动机与涡轮螺桨发动机很相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来，只不过涡轮轴发动机将风扇变成了直升机的旋翼。

图7 飞机螺旋桨

2）运用领域

主要运用于直升机和垂直/短距起落飞机上。

7. 螺旋桨风扇发动机

1）结构及原理

这是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的发动机形式，目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来。

螺旋桨风扇发动机由燃气发生器和一副螺旋桨-风扇组成。螺旋桨-风扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点像螺旋桨,但它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6—8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，有些类似于风扇叶片。

图8 漩涡螺旋桨发动机动态演示图

2）运用领域

由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，一般不运用与舒适性要求较高的客机上。安-70运输机用的就是此类发动机。