航空發(fā)動機技術發(fā)展史

時間：2017-10-23 20:31來源：超天才網 作者：中國航空

縱觀航空發(fā)動機的發(fā)展史，第一代發(fā)動機無疑是活塞式發(fā)動機，其在兩次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了重要的作用，在戰(zhàn)爭的刺激下其技術不斷成熟，在當時的航空動力中占絕度的主導地位，戰(zhàn)后燃氣渦輪發(fā)動機的問世逐漸取代了活塞式發(fā)動機，導致了噴氣時代開始，在技術的不斷發(fā)展下，推出了渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機和渦輪槳扇發(fā)動機，其各自在不同時期和不同的飛行領域發(fā)揮著作用，使航空器的飛行性能不斷提升。

一、活塞式發(fā)動機時代

對于航空發(fā)動機來說，不得不提的第一種航空發(fā)動機也就是活塞式發(fā)動機，其工作原理是活塞承受燃氣壓力在氣缸內作往復運動，并通過連桿將這種運動轉變成曲軸的旋轉運動。1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗。它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣的飛行器成功飛行。

之后由于戰(zhàn)爭的需求，航空業(yè)蓬勃發(fā)展，在兩次世界大戰(zhàn)之間，活塞式發(fā)動機在技術方面也在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，提高了發(fā)動機的性能和效率。在兩次世界大戰(zhàn)的推動下，發(fā)動機的性能提高很快，單機功率從不到10 kW增加到2500 kW左右，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時延長到2000~3000h。到第二次世界大戰(zhàn)結束時，活塞式發(fā)動機已經發(fā)展得相當成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000英尺�？梢哉f，活塞式發(fā)動機已經達到其發(fā)展的頂峰。但由于其工作原理和結構的限制，活塞式發(fā)動機無法做高空和超聲速飛行。

燃氣渦輪發(fā)動機時代

從第二次世界大戰(zhàn)結束至今。航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術發(fā)展的推動下，渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、槳扇發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機在不同時期在不同的飛行領域內發(fā)揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的臺階。對于上述類型的發(fā)動機，不得不提到的一個概念就是涵道比，渦扇發(fā)動機外進氣道與內進氣道空氣流量的比值被稱為涵道比。渦輪噴氣發(fā)動機的涵道比相當于0，渦輪螺旋槳發(fā)動機的涵道比相當于∞，而渦輪風扇發(fā)動機的涵道比在兩者之間。

發(fā)動機內外涵道示意圖

涵道比高的發(fā)動機，大部分動力來自于由風扇吸入并加速的空氣從外進氣道排出產生的推力。這種發(fā)動機往往外進氣道較短，內進氣道的尾氣不與外進氣道混合，而由噴嘴單獨排出。大涵道比發(fā)動機在次音速時有非常好的能效，并有耗油率低、噪聲小的特點，通常廣泛用于大型民用客機、運輸機和戰(zhàn)略轟炸機以及其他大型亞聲速飛機如加油機、預警機和反潛機等。

涵道比低的發(fā)動機，大部分動力來自驅動核心機的內進氣道尾氣這種發(fā)動機通常采用混合噴嘴，即內進氣道尾氣在于外進氣道氣流混合后再行排出。渦扇相比渦噴，在發(fā)動機前端多了兩級葉片，用來吸入冷空氣，用于對發(fā)動機外側降溫，形成一個冷氣壁，從而提高效率降低油耗。混合噴嘴可以變形以調整推力的大小甚至方向，而高溫的尾氣經外進氣道氣流降溫后，也有利于降低發(fā)動機的紅外特征。某些小涵道比發(fā)動機還配有后燃器，可以以高油耗為代價，獲得更大的推力。小涵道比發(fā)動機可以用于超音速飛行，通常用于戰(zhàn)斗機。

當代軍用加力式渦輪風扇發(fā)動機的涵道比為0.3-1.0，民用大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的涵道比已達6-9，并有進一步增大的趨勢。

1、渦輪噴氣發(fā)動機

渦輪噴氣發(fā)動機的特點是完全依賴燃氣流產生推力。通常用作高速飛機的動力，分為離心式與軸流式兩種。戰(zhàn)后，美、蘇、法通過買專利，或借助從德國取得的資料和人員，陸續(xù)發(fā)展了本國第一代渦輪噴氣發(fā)動機。其中，美國通用電氣公司的J47軸流式渦噴發(fā)動機和蘇聯克里莫夫設計局的RD-45離心式渦噴發(fā)動機的推力都在2650daN左右，推重比為2~3，它們分別在1949年和1948年裝在F-86和米格-15戰(zhàn)斗機上服役。在朝鮮戰(zhàn)爭期間，這兩種飛機展開了殊死的空戰(zhàn)。 20世紀50年代初，加力燃燒室的使用使發(fā)動機在短時間內能夠大幅度提高推力，為飛機突破聲障提供足夠的推力。典型的發(fā)動機有美國的J57和蘇聯的RD-9B，它們的加力推力分別為7000daN和3250daN，推重比各為3.5和4.5。它們分別裝在超聲速的單發(fā)F-100和雙發(fā)米格-19戰(zhàn)斗機上。