航空发动机从结构上可分为活塞式与喷气式。喷气式中按是否有压气机可以主要分为 燃气涡轮发动机和冲压式发动机。早期的飞机及直升机几乎全部使用活塞式发动机,由于 其功率的限制,只适用于低速飞行。20 世纪 40 年代以来,涡轮发动机开始成为现代飞机 与直升机的主要动力。冲压式发动机构造简单、重量轻、推重比大、成本低,具有较好的 经济性,但其不能在静止的条件下自行起动,而需要其它发动机做助推器,当飞机达到一 定飞行速度后才能有效工作,不能自行起动限制了其在航空器上的应用,目前仅用在导弹 和在空中发射的靶弹上,本文主要讨论航空燃气涡轮发动机。
涡扇发动机高效率低油耗,是当前主流应用类型
航空燃气涡轮发动机主要包括涡喷、涡扇、涡桨、涡轴发动机。发动机对飞机性能影 响显著,设计速度与油耗特性差异决定了不同的应用场景:涡喷发动机虽速度较高,但油 耗较高,经济性差,已逐步被涡扇发动机替代,主要用于部分尚未退役的军用二代战机;涡扇发动机由于其高速度、中等油耗的特点,是现在大多数客机及军机的主要动力类型;涡桨发动机最大速度相对较小、油耗偏低,主要用于时速小于 800 千米的飞机,多用于低 速运输机、轻型飞机及加油机等;涡轴发动机主要用作直升机的动力。
涡喷发动机油耗较高,已逐步被涡扇发动机替代
涡喷发动机的动力来源于尾喷管喷出的高温高压气体。涡喷发动机由进气道、压气机、 燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成,工作原理为空气 由进气道流入,通过压力机升压后,为燃烧室提供高压空气,燃烧室再将高压空气与燃料 混合并进行燃烧,转化为热能,用于涡轮进行膨胀做功,最后由尾喷管直接喷出提供飞机 所需推力。
双转子轴流式是涡喷发动机最常见类型。涡喷发动机按照压气机不同,可分为离心式 和轴流式,其中离心式为侧向进气,轴流式为轴向进气,因轴流式发动机效率较高、增压 比较大,所以当前推力较大的涡喷均采用轴流式。根据转子不同,轴流式又可分为单转子 (单轴)和双转子(双轴)两种类型,对于单转子结构,内部构成较为简单,造价成本较 低,但压缩效率有限、且耗油率高,目前只有法国“幻影”战斗机所用的 M53 发动机使 用;对于双转子结构来说,具有增压比高、效率高、加速性好等优势,除早期外,当前绝 大多数涡轮喷气发动机都是双转子发动机。
涡喷发动机油耗高、经济性较差,目前已逐步被涡扇发动机替代,主要用于部分尚未 退役的军用二代战机。涡喷发动机适航的范围极其广泛,无论是低空亚音速飞行,还是高 空超音速飞行都能够胜任,且由于在高速飞行时,喷气速度高,因而高空高速性能好,适 合长时间高速飞行的飞行器。但由于涡喷发动机产生推力的同时,仍存在大量高温燃气高 速排出发动机,造成大量能量损失,因此涡喷耗油相对较高,经济性较差,目前已逐步被 涡扇发动机替代,仅在部分尚未退役的二代战斗机、中高空无人机、靶机等领域有所应用, 民用领域已基本被淘汰。
涡扇发动机推进效率较高,是当前主流发展方向
涡扇发动机的动力来源于风扇推力(主要来源)+高温高压气体向外喷出,推进效率 较高。从结构上来看,涡喷发动机由压气机、燃烧室和涡轮组成,而涡扇发动机由风扇、 外涵道、压气机、燃烧室和涡轮组成,涡扇发动机相当于是涡喷发动机加上风扇及其外涵 道的部分。根据推进效率的计算公式,当出口速度无限趋近进口速度的时候,推进效率无 限趋近于 100%,涡扇发动机具有的风扇和外涵道结构可以使发动机的出口速度减低,并 利用这部分动能使外涵空气加速,因此涡扇发动机具有更高的推进效率,耗油率一般为涡 喷发动机的 67%。
涵道比(Bypass ratio,简称 BPR)是指外涵道与内涵道空气流量之比,又称为流 量比,是影响涡扇发动机性能好坏的一个重要参数。涵道比小于 2-3 的称为低涵道比涡轮 风扇发动机,高于 4-5 的称为高涵道比涡轮风扇发动机。高涵道比涡轮风扇发动机的排气 速度低、推进效率高、经济性好,适用于大型远程旅客机和运输机。同时,高涵道比涡轮 风扇发动机的迎风面积大,不宜于作超声速飞行,因此一般战斗机用的加力涡轮风扇发动 机的涵道比一般小于 1.0。
小涵道比涡扇发动机低油耗高速度,主要应用于军用战斗机。小涵道比的发动机引擎, 大部分的动力来自驱动核心机的内进气道尾气,通常使用混合喷嘴,可以变形以调整推力 的大小甚至方向,而高温的尾气经低温的外进气道气流降温后,也有利于降低引擎的红外 特征。小涵道比涡扇发动机可用于超音速飞行,起飞推力大,巡航油耗低,加力比可达 1.6-2.0,主要应用于军用战斗机,显著提升飞机性能,主要用于中高速飞机,当前发达国 家装备的主战斗机均以小涵道比涡扇发动机为主。
大涵道比涡扇发动机低油耗长续航,主要应用于军用运输机和民航客机。涵道比高的 引擎,大部分的动力来自由风扇加速的外进气道空气,外进气道往往较短,内进气道的尾 气不与外进气道气流混合,而由喷嘴单独排出。高涵道比引擎在次音速时有非常好的能效, 可以有效延长飞行续航,实现军民用运输机与宽体客机长途飞行需求。在民机领域,由于 其噪声低、续航强的特点,20 世纪 60 年代后广泛应用于新型旅客机,形成民航客机“风 扇化”浪潮,包括波音 747 等;军机领域可满足军用运输机远程运输的需求,例如 C-5 银河运输机等。
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