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飞行器发动机发展与未来
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飞行器发动机的主要功用是为飞行器提供推进动力或支持力,是飞行器的心脏。自从飞机问世以来的几十年中,发动机得到了迅速的发展,从早期的低速飞机上使用的活塞式发动机,到可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机,还有运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机等,时至今日,飞行器发动机已经形成了一个种类繁多,用途各不相同的大家族。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。包括: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。

1.活塞式发动机

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,膨胀作功的机械。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时,发动机与螺旋桨是不能分割的。一般是1比15即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。

在第二次世界大战以前,所有的飞机都采用活塞式发动机作为飞机的动力,这种发动机本身并不能产生向前的动力,而是需要驱动一副螺旋桨,使螺旋桨在空气中旋转,以此推动飞机前进。这种活塞式发动机+螺旋桨的组合一直是飞机固定的推进模式,很少有人提出过质疑。

到了三十年代末,尤其是在二战中,由于战争的需要,飞机的性能得到了迅猛的发展,飞行速度达到700-800公里每小时,高度达到了10000米以上,但人们突然发现,螺旋桨飞机似乎达到了极限,尽管工程师们将发动机的功率越提越高,从1000千瓦,到2000千瓦甚至3000千瓦,但飞机的速度仍没有明显的提高,发动机明显感到“有劲使不上”。

问题就出在螺旋桨上,当飞机的速度达到800公里每小时,由于螺旋桨始终在高速旋转,桨尖部分实际上已接近了音速,这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降,推力下降,同时,由于螺旋桨的迎风面积较大,带来的阻力也较大,而且,随着飞行高度的上升,大气变稀薄,活塞式发动机的功率也会急剧下降。这几个因素合在一起,决定了活塞式发动机+螺旋桨的推进模式已经走到了尽头,要想进一步提高飞行性能,必须采用全新的推进模式,喷气发动机应运而生。

2.涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机仍属于热机的一种,就必须遵循热机的做功原则:在高压下输入能量,低压下释放能量。从燃烧室流出的高温高压燃气,流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能,带动压气机旋转,在涡轮喷气发动机中,气流在涡轮中膨胀所做的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后,涡轮前的燃气能量大大增加,因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比,涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多,发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。

从涡轮中流出的高温高压燃气,在尾喷管中继续膨胀,以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多,使发动机获得了反作用的推力。

一般来讲,当气流从燃烧室出来时的温度越高,输入的能量就越大,发动机的推力也就越大。但是,由于涡轮材料等的限制,目前只能达到1650K左右,现代战斗机有时需要短时间增加推力,就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油,让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧,由于加力燃烧室内无旋转部件,温度可达2000K,可使发动机的推力增加至1.5倍左右。其缺点就是油耗急剧加大,同时过高的温度也影响发动机的寿命,因此发动机开加力一般是有时限的,低空不过十几秒,多用于起飞或战斗时,在高空则可开较长的时间。

随着航空燃气涡轮技术的进步,人们在涡轮喷气发动机的基础上,又发展了多种喷气发动机,如根据增压技术的不同,有冲压发动机和脉动发动机;根据能量输出的不同,有涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和螺桨风扇发动机等。

喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机,但其优异的高速性能使其迅速取代了后者,成为航空发动机的主流

3.涡轮风扇发动机

自从惠特尔发明了第一台涡轮喷气发动机以后,涡轮喷气发动机很快便以其强大的动力、优异的高速性能取代了活塞式发动机,成为战斗机的首选动力装置,并开始在其他飞机中开始得到应用。但是,随着喷气技术的发展,涡轮喷气发动机的缺点也越来越突出,那就是在低速下耗油量大,效率较低,使飞机的航程变得很短。尽管这对于执行防空任务的高速战斗机还并不十分严重,但若用在对经济性有严格要求的亚音速民用运输机上却是不可接受的。

目前航空用涡轮风扇发动机主要分两类,即不加力式涡轮风扇发动机和加力式涡轮风扇发动机。前者主要用于高亚音速运输机,后者主要用于歼击机,由于用途不同,这两类发动机的结构参数也大不相同。
不加力式涡轮风扇发动机不仅涡轮前温度较高,而且风扇直径较大,涵道比可达8以上,这种发动机的经济性优于涡轮喷气发动机,而可用飞行速度又比活塞式发动机高,在现代大型干线客机、军用运输机等最大速度为M0.9左右的飞机中得到广泛的应用。根据热机的原理,当发动机的功率一定时,参加推进的工质越多,所获得的推力就越大,不加力式涡轮风扇发动机由于风扇直径大,空气流量就大,因而推力也较大。同时由于排气速度较低,这种发动机的噪音也较小。
加力式涡轮风扇发动机在飞机巡航中是不开加力的,这时它相当于一台不加力式涡轮风扇发动机,但为了追求高的推重比和减小阻力,这种发动机的涵道比一般在1.0以下。在高速飞行时,发动机的加力打开,外涵道的空气和涡轮后的燃气一同进入加力燃烧室喷油后再次燃烧,使推力可大幅度增加,甚至超过了加力式涡轮喷气发动机,而且随着速度的增加,这种发动机的加力比还会上升,并且耗油率有所下降。加力式涡轮风扇发动机由于具有这种低速时较油耗低,开加力时推重比大的特点,目前已在新一代歼击机上得到广泛应用。

4.涡轮轴发动机

在带有压气机的涡轮发动机这一类型中,涡轮轴发动机出现得较晚,但已在直升机和垂直/短距起落飞机上得到了广泛的应用。

在工作和构造上,涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来,只不过后者将风扇变成了螺旋桨,而前者将风扇变成了直升机的旋翼。除此之外,涡轮轴发动机也有自己的特点:它一般装有自由涡轮(即不带动压气机,专为输出功率用的涡轮),而且主要用在直升机和垂直/短距起落飞机上。涡轮轴发动机是用于直升机的,它与旋翼配合,构成了直升机的动力装置。按照涡轮风扇发动机的理论,从理论上讲,旋翼的直径愈大愈好。同样的核心发动机,产生同样的循环功率,所配合的旋翼直径愈大,则在旋翼上所产生的升力愈大。事实上,由于在能量转换过程中有损失,旋翼也不可能制成无限大,所以,旋翼的直径是有限制的。——般说,通过旋翼的空气流量是通过涡轮轴发动机的空气流量的500-1000倍。

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齿轮系统,有时它的重量竟占发动机总重量一半以上。

5.涡轮螺旋桨发动机

一般来说,现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比是有着不断加大的趋势的。因为对于涡轮风扇发动机来说,若飞行速度一定,要提高飞机的推进效率,也就是要降低排气速度和飞行速度的差值,需要加大涵道比;而同时随着发动机材料和结构工艺的提高,许用的涡轮前温度也不断提高,这也要求相应地增大涵道比。对于一架低速(500~600km/h)的飞机来说,在一定的涡轮前温度下,其适当的涵道比应为50以上,这显然是发动机的结构所无法承受的。

为了提高效率,人们索性便抛去了风扇的外涵壳体,用螺旋桨代替了风扇,便形成了涡轮螺旋桨发动机。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。

6.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。

由于无涵道外壳,螺桨风扇发动机的涵道比可以很大,以正在研究中的一种发动机为例,在飞行速度为M0.8时,带动的空气量约为内涵空气流量的100倍,相当于涵道比为100,这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的,将其应用于飞机上,可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左右。

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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (5/28/2009)
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