航空发动机应用与发展分析

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　　飞行器发动机分类

　　飞行器发动机常见的分类原则有两种：按空气是否参加发动机工作和发动机产生推进动力的原理。按发动机是否须空气参加工作，飞行器发动机可分为两类，大约如下所示：

　　吸空气发动机简称吸气式发动机，它必须吸进空气作为燃料的氧化剂(助燃剂)，所以不能到稠密大气层之外的空间工作，只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同，吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。

　　火箭喷气式发动机是一种不依赖空气工作的发动机，航天器由于需要飞到大气层外，所以必须安装这种发动机。它也可用作航空器的助推动力。按形成喷气流动能的能源不同，火箭发动机又分为化学火箭发动机、电火箭发动机和核火箭发动机等。

　　按产生推进动力的原理不同，飞行器的发动机又可分为直接反作用力发动机、间接反作用力发动机两类。

　　直接反作用力发动机是利用向后喷射高速气流，产生向前的反作用力来推进飞行器。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机，这类发动机有涡轮喷气发动机、冲压喷气式发动机，脉动喷气式发动机，火箭喷气式发动机等。

　　间接反作用力发动机是由发动机带动飞机的螺旋桨、直升机的旋翼旋转对空气作功，使空气加速向后(向下)流动时，空气对螺旋桨(旋翼)产生反作用力来推进飞行器。这类发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨风扇发动机等。而涡轮风扇发动机则既有直接反作用力，也有间接反作用力，但常将其划归直接反作用力发动机一类，所以也称其为涡轮风扇喷气发动机。

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　中小型航空发动机

　　中小型航空发动机主要是指目前应用最广泛的燃气涡轮发动机和少量的活塞式发动机中推力和功率在中等以下者。关于中小型发动机的界定范围，根据国内外业内人士的共识，可以把中型涡喷/涡扇发动机和中型涡桨/涡轴发动机的推力和功率上限分别设在5000daN和5000kW。相应的小型发动机的推力和功率上限分别为500daN和500kW。这样界定的理由是，它们相应的核心机空气流量大致相近，前者为15~25kg/s，而后者为3.0~5.0kg/s。因而，它们在设计和试验技术上有相同之处。一个典型的例子是，处于中型发动机上端的AE3000涡扇发动机、AE2100涡桨发动机和T406涡轴发动机采用同一的核心机。目前在使用中的活塞式发动机功率一般不超过350kW。对于推力/功率分别小于50daN/50kW和5daN/5kW的微型和超微型发动机不在本范围。

　　中小型航空发动机的机种多，推力/功率档次差异大，结构类型各不相同，在军用和民用方面有广泛的用途，在国民经济和国防建设方面有重要的作用和地位：

　　(1)在军用方面，现代战争是立体作战，陆、海、空、天构成一个完整的作战体系，其中采用中小型发动机的直升机、巡航导弹和无人机以及教练机、轻型强击机和轻型运输机等起到十分重要的作用。

　　(2)在民用方面，支线客机、通用飞机和直升机以及大型飞机的机载辅助动力装置方面有着广阔的应用前景。

　　(3)在地面应用方面，由中小型航空发动机改型的轻型燃气轮机可应用于坦克、舰艇、移动电站、天然气和石油管线泵站。

　　(4)在经济方面，在航空燃气涡轮发动机市场上，中小型发动机所占的份额很大。近年来，在世界市场上，中小型航空发动机在生产台数中占的份额接近90%，在销售额的份额中接近60%。

　　中小型航空发动机的目前应用范围

　　2005~2014年世界航空燃气涡轮发动机市场统计分析

			台数	台数份额(%)	销售额 (亿美元)	销售额份额 (%)
小发动机和辅助动力装置（APU）			58420	36.81	97.44	3.86
涡轴发动机			21300	14.91	105.81	5.45
涡桨发动机			9538	7.21	78.00	4.02
涡喷和涡扇发动机	中             小             型	轻型战斗/攻击/教练机	1748	1.32	25.51	1.31
		轻型运输机/支线客机	15164	11.46	516.33	26.58
		公务机	24042	18.18	297.36	15.31
	大             型	重型战斗机	5374	4.06	217.90	11.22
		重型运输机/干线客机	7068	5.34	586.96	30.23
		特种飞机	936	0.71	39.19	2.02
合计			132272	100	1942.02	100

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　　下面按活塞式发动机、涡喷发动机、涡桨发动机、涡轴发动机和涡扇发动机介绍中小型航空发动机的国外现状和发展趋势。由于中小型发动机的种类较多，推力/功率档次和结构形式差异很大，其技术进步很难像大型军用和民用发动机那样用推重比和耗油率来明确地表征，或用"代"来划分，因此在有些部分只能视情描述其技术发展情况。

　　活塞式发动机

　　早期飞机和直升机用的航空发动机，用于带动飞机螺旋桨或直升机旋翼。按汽缸排列

　　形式又可分为星型和直列式，按供油方式分为汽化器式和直接注射式，按汽缸冷却方式分为液冷式和汽冷式。大型活塞式发动机功率可达2500-3500千瓦，小型的仅20-30千瓦。

　　自涡轮喷气发动机发明以后，特别是第二次世界大战以后，虽然在大型和高速飞机上活塞式发动机逐步让位给航空燃气涡轮发动机，但是功率在350kW以下的水平对缸活塞式发动机在国内外还被广泛地应用于低速轻型的飞机和直升机上。

　　当前，最著名的水平对缸发动机制造商是美国的莱康明公司和特里达因·大陆公司，它们拥有功率从七八十千瓦到300多千瓦的4~8缸的发动机系列，主要用于通用飞机。例如，莱康明公司6缸的O-540系列，其中有带涡轮增压的，功率范围为170~270kW。功率小于100kW的水平对缸活塞式发动机在无人驾驶飞机上也有广泛的应用。

　　旋转活塞式发动机从20世纪60年代中期开始在轿车和卡车上有少量使用，到90年代中期已有200~300万辆日本东洋公司的马自达轿车装备旋转活塞式发动机。从80年代起开始用于某些轻型飞机，特别是无人驾驶飞机。在近来掀起的无人驾驶飞机热潮中，旋转活塞式发动机大有用武之地。目前，使用中的旋转活塞式发动机的功率一般小于100kW，研制中的分层进气旋转活塞式发动机的功率达到200kW。

　　在无人机活塞式发动机方面，美国NASA正以ROTAX 912  AVGAS活塞式发动机为基础发展一种长航时无人机用三级涡轮增压/活塞组合式发动机。这种组合式发动机的工作高度达24  km以上。采用涡轮增压的目的就是要解决活塞发动机的高空补氧和冷却问题。研究认为，此组合式发动机在油耗方面较涡扇发动机有较大的优势。与涡扇发动机(以AE3007为例)相比，同等推力条件下组合式发动机的油耗要低40%。如果"全球鹰"安装此组合式发动机，起飞重量可减轻3000kg，或起飞重量不变的情况下有效载荷增加1100kg以上。对于高高空无人机来说，涡轮增压活塞组合发动机将是一种很具吸引力的动力。

　　活塞式发动机只能为飞机提供轴功率，还要通过空气螺旋桨将发动机的轴功率转化为推进力，一起组成航空动力装置。而螺旋桨在飞行速度高时推进效率急剧下降，因此活塞式发动机不能作为高速飞机、特别是超音速飞机的动力，故当今的飞机广泛采用燃气涡轮发动机。

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　　涡轮螺旋桨发动机简称涡桨发动机

　　涡轮螺旋桨发动机(Turboprop  Engines，或根据其发动机类型而称为涡轮螺旋桨喷气发动机，并常简称为涡桨发动机)是一种通常用于飞机上的燃气涡轮发动机(gas turbine  engine)。由螺旋桨提供拉力(或推力)的燃气涡轮发动机。

　　涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机在产生动力方面却有着很大的不同，涡轮螺旋桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率，而尾喷管喷出的燃气推力极小，只占总推力的5%左右，为了驱动大功率的螺旋桨，涡轮级数也比涡轮风扇发动机要多，一般为2～6级。

　　同活塞式发动机+螺旋桨相比，涡轮螺旋桨发动机有很多优点。首先，它的功率大，功重比(功率/重量)也大，最大功率可超过10000马力，功重比为4以上;而活塞式发动机最大不过三四千马力，功重比2左右。其次，由于减少了运动部件，尤其是没有做往复运动的活塞，涡轮螺旋桨发动机运转稳定性好，噪音小，工作寿命长，维修费用也较低。而且，由于核心部分采用燃气发生器，涡轮螺旋桨发动机的适用高度和速度范围都要比活塞式发动机高很多。在耗油率方面，二者相差不多，但涡轮螺旋桨发动机所使用的煤油要比活塞式发动机的汽油便宜。

　　由于涵道比大，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率要高于涡轮风扇发动机，但受到螺旋桨效率的影响，它的适用速度不能太高，一般要小于900km/h。目前在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机中的到广泛应用。

　　近40年来用于支线客机和通用飞机的涡桨发动机已经成功地研制和使用了三代产品。第一代是20世纪70年代前投入市场的，主要代表机种为达特、PT6A和TPE331、NK-4、AI-20等，功率范围500～1  500kW，耗油率为0.35～0.40kg/(kW·h)，主要是12～60座的中短程的民航机。第二代是20世纪70年代末80年代初投入市场的，主要有PW100、CT7-5和TPE331-14/15等。这类发动机的主要技术数据为：压比11～16，涡轮前温度1  273～1  533K，耗油率0.280～0.315kg/(kW·h)。第三代产品是指20世纪90年代以后的发动机。主要有AE2100和APE351-20两型发动机。AE2100是美国艾利逊公司(已为罗·罗公司收购)研制的大功率涡桨发动机，功率为4  474kW，如改进高压涡轮，功率可提高到5  880kW。发动机的发展潜力较大。TPE351-20是美国加雷特公司(属霍尼韦尔公司)为40座支线客机研制的中等功率的推进式涡桨发动机，原型机功率为1566kW，采用新的压气机后可使功率提高到1870kW。该型发动机是基于F109和TPE331-14等的技术基础设计的，发展潜力很大。此外加拿大普·惠公司也在发展PW200系列发动机，它包括涡轴型和涡桨型，也很有发展潜力。

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　　涡轮轴发动机

　　涡轮轴发动机的诞生:涡轮轴发动机首次正式试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力，兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轮轴令直升机的发展更进一步。当时涡轮轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现，涡轮轴发动机逐渐被视为单独的一种喷气发动机。

　　在1950年时，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)涡轮轴发动机。该发动机只有一级离心式叶轮压气机，有两级涡轮的输出轴，功率达到了206千瓦(280轴马力)，成为世界上第一台实用的直升机涡轮轴发动机。首先装用这种发动机的是美国贝尔直升机公司生产的Bell47(编号为XH-13F)，1954年该机首飞。到了50年代中期，涡轮轴发动机开始为直升机设计者所大量采用。

　　涡轮轴发动机的原理：涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机相似，曾经被划入同一分类。它们都由涡轮喷气发动机演变而来，涡桨发动机驱动螺旋桨，涡轮轴发动机则驱动直升机的旋翼轴获得升力和气动控制力。当然涡轮轴发动机也有自己的特色：通常带有自由涡轮，而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。

　　同涡轮轴发动机和直升机常用的另一种动力装置——活塞发动机采相比，涡轮轴发动机的功率重量比要大得多，在2.5以上。而且就发动机所产生的功率来说，涡轮轴发动机也大得多，目前使用中的涡轮轴发动机所产生的功率，最高可达6000马力甚至10000马力，活塞发动则相差很远。在经济性上，涡轮轴发动机的耗油率略高于最好的活塞式发动机，但它所用的航空煤油要比前者所用的汽油便宜，这在一定程度上得到了弥补。当然，涡轮轴发动机也有其不足之处。它制造比较困难，制造成本也较高。特别是由于旋翼的转速更低，它需要比涡轮螺旋桨发动机更重更大的减速系统，有时它的重量竟占发动机总重量一半以上。

　　从20世纪50年代初法国的阿都斯特发动机装备"云雀"直升机投入使用以来，已经发展了四代。第三代涡轴发动机是70年代末或80年代初投入使用的，主要有T700-GE-700、马基拉、"宝石"41-1和TV7-117,现在处于生产和使用的高峰。这一代发动机的循环参数有了很大的提高，并开始采用全权数字电子控制系统。T700总压比达到17，采用冷却叶片后的涡轮进口温度为达1533K。

　　第四代涡轴发动机主要有RTM322、TVD-1500B、T800/CTS800和MTR390。它们是在80年代后期开始工程研制的，从90年代中期以后陆连续投入使用。功率近1600kW的RTM322是为多用途直升机设计的。后面两种是专门为武装直升机设计的，功率小于1000KW，它们技术特点是：双级离心式压气机，压比为14;回流环形燃烧室内安装气动雾化喷嘴;首次在功率小于1000kW的发动机上采用的气冷叶片，使涡轮进口温度达到1420K，单位功率达到300kW/(kg/s);可拆卸的整体式粒子分离器和引射式红外抑制器;先进的全权数字电子控制系统。

　　今后，涡轮轴发动机技术将进一步发展，发动机的压比将达到16~26，涡轮进口温度达到1500~1920K。

　　1987年，美国开始实施JTAGG计划，其目的是为未来涡轴/涡桨发动机提供技术基础。这个计划分三阶段进行，具体目标是针对空气流量4.5~6.8kg/s级别的燃气发生器到1995、2000和2005年验证使功重比比1987年的T700发动机技术基础分别提高40%、80%和120%和耗油率降低20%、30%和40%的技术。

　　随着JTAGG计划的成功完成，美国又准备实施经济可承受涡轮发动机技术(VAATE)计划，在进一步提高性能的前提下，重点放在改善经济可承受性，即能力(功重比/耗油率)与寿命期成本之比。以2000年的技术为基准，到2017年，对于涡轴发动机、小型涡扇发动机和一次性使用涡喷发动机的经济可承受性将分别提高到5.5倍、8.9倍和10倍。

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　螺桨风扇发动机

　　螺桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来，目前正处于研究和实验阶段。

　　螺桨风扇发动机的结构见图，它由燃气发生器和一副螺桨-风扇(因为实在无法给这个又象螺旋桨又象风扇的东东起个名字，只好叫它螺桨-风扇)组成。螺桨-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象螺旋桨;但是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，这些又有些类似于风扇叶片。

　　同涡轮螺旋桨发动机相比，螺桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近音速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在M0.6~M0.65左右;而螺桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超音速机翼的剖面形状，这种叶型的跨音速性能就要好的多，在飞行速度为M0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。

　　当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外，暴露在空气中的螺桨-风扇的气动设计也是目前研究的难点所在。

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　　飞机辅助动力装置

　　飞机辅助动力装置(APU)是装在飞机上的一套不依赖机外任何能源、自成体系的小型动力装置，用于飞机在地面起动主发动机，向座舱空调系统供应压缩空气，以及向飞机电网提供电源动力。主发动机正常工作后，辅助动力装置即自动停车。但当飞机在飞行中遇到发动机停车时，辅助动力装置是可重新起动作为应急动力源，向飞机提供气源和电源。

　　早期，辅助动力装置功率比较小，只有几十kW。在设计上都力求简单，一般为单转子布局，采用一个低压比的离心压气机，压比只有3～4。涡轮为单级径向式或两级轴流式，涡轮进口温度低于1000K，功率重量比不到2kW/kg。到90年代初期，辅助动力装置的总输出功率已达500～1000kW，多采用双转子布局，压比达8，涡轮进口温度提高到1350K，功率重量比达到4.6kW/kg。

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　　涡喷发动机

　　涡喷发动机是最早的航空燃气涡轮发动机,自20世纪40年代投入使用到60年代，推力从几百十牛提高到近18000daN，推重比从2~3提高到6.5~7.0，使飞机的飞行马赫数达到3，被广泛用于军用飞机和巡航导弹以及民用客机。

　　这类发动机具有加速快、设计简便等优点，是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。

　　后来，涡扇发动机的崛起，在军民用领域中逐渐取代涡喷发动机。目前，中型涡喷发动机仍在一些轻型战斗/攻击机和教练机上继续使用，小型的涡轮喷气发动机则用于巡航导弹、靶机和无人机上。例如著名的美国"战斧"式对地巡航导弹有一个型别以及"鱼*"式反舰巡航导弹都是用J402涡喷发动机作动力的。

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　　涡轮风扇喷气发动机

　　涡轮风扇喷气发动机的诞生:二战后，随着时间推移、技术更新，涡轮喷气发动机显得不足以满足新型飞机的动力需求。尤其是二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机，飞行速度要求达到高亚音速即可，耗油量要小，因此发动机效率要很高。涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求，使得上述机种的航程缩短。因此一段时期内出现了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。

　　就推力小于5000daN中小型涡扇发动机而言，其主要用途有军用的教练机、轻型战斗/攻击机、轻型运输机无人机和巡航导弹，以及民用的支线飞机和公务机。

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　　大型航空发动机

　　目前，世界上能够独立研制大型高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国、日本等少数几个国家，技术门槛很高。

　　大涵道比大型涡扇发动机

　　大涵道比涡扇发动机是指涵道比4以上的涡扇发动机。由于大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小，被广泛用于大型民用和军用运输机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机、反潜机等。

　　世界上第一种大涵道比涡扇发动机是1969年10月定型的美国通用电气公司TF39-GE-1A，涵道比为8，腾飞推力近20000daN，用于C-5A军用远程战略运输机。大推力的大涵道比涡扇发动机的出现推动了巨型宽体客机的诞生，1970年1月，涵道比为5.2的普惠公司JT9D-3涡扇发动机装备波音747-100宽体客机投进使用。从此，大涵道比涡扇发动机开始在民用领域获得大量使用，成为民用发动机市场的主角，其技术也迅速发展。一些新研制的或老型号军用运输机的升级也纷纷采用民用大涵道比涡扇发动机改型。2013年11月12日，在第九届中国国际航空展的航空发动机展区，中航工业展出了国产大涵道比涡扇发动机的金属同比例模型。

　　目前世界上只有通用(GE)、普惠(PW)和罗罗(RR)三家公司有能力独立研制航空发动机。不过随着航空发动机专项行动的启动，以及航发集团的组建，我国航空发动机产业将加速发展，并有望在未来打破巨头垄断进入国际市场。此外，航空发动机产业的做大做强，也将进一步增强我国航空工业的整体国际竞争力，促使商用大飞机等产品快速进入国际市场。