航空发动机发展历程报.doc

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1、航空发动机发展历程报告一、序言1903年12月17日，美国的莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行，首次飞行留空时间仅持续12秒，飞行距离为36.6米，当天持续最久的一次飞行是由哥哥威尔伯莱特驾驶的第四次飞行，持续时间59秒，飞行距离260米。这次飞行开创了人类历史的新纪元，对后来百年里人类社会、政治、经济、文化和军事等方面产生不可估量的影响，并将持续至不可知的未来。而航空发动机作为飞行器的核心部件，在很大程度上决定了航空器的发展水平。航空发动机的发展历程大概可分为两个时期，第一个时期是从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止，在这个时期内

2、，活塞式发动机统治了40年左右；第二个时期是从第二次世界大战结束至今，60余年的时间，航空燃气涡轮发动机逐渐取代了活塞式发动机，开创了喷气时代，成为航空发动机的主流。如今，航空发动机的第一个百年已经远去，新的航空百年正在赶来，各种新概念、非传统的航空发动机开始崭露头角，如脉冲爆震发动机、多核心机发动机、组合发动机、模拟昆虫扑翼飞行的电致伸肌动力发动机和利用螺旋桨推进的太阳能、燃料电池、微波电动发动机等。可以想象，未来的航空发动机必定更加稳定与高效，航空发动机的种类也会得到极大的扩展与充实。二、活塞式发动机莱特兄弟首飞所驾驶的“飞行者”一号所用的发动机并非出自著名的企业或发明家，而是一位普通的修

3、理技工查尔斯泰勒之手。这是一台设有自动进气阀的液（水）冷、四缸、四冲程直排卧式活塞式汽油发动机（图1）， 图1 “飞行者”一号发动机结构示意图汽缸内径101.5毫米，冲程104.8毫米，排量3.398升，压缩比4.4，长期工作功率9千瓦（约12马力），短期可达12千瓦（16马力），净重量64千克（无燃料），工作重量81千克（带燃料、水和附件），功重比约为0.1480.20马力/千克。这些指标不但令当时技术成熟的蒸汽机望尘莫及，在当时同类的活塞式发动机中也是佼佼者，完全可以满足飞行的要求。活塞式发动机按汽缸头的冷却方式可分为液（水）冷式和气（空气）冷式，两种发动机在不同的历史时期扮演者不同的角色

4、，但基本上是各有千秋，互有短长。1、 液冷式活塞发动机早期飞机的飞行速度很低，多采用液冷式发动机。液冷式发动机的冷却方法是在汽缸外壁面加水套，用外部循环水进行冷却。从1903年泰勒为莱特兄弟的“飞行者”一号所制造的发动机开始，最早的航空发动机几乎无一例外的都采用液冷方式，直至今日，这种方式还普遍应用在汽车、轮船用活塞发动机上。液冷方式虽然简单有效，但必须设置一个循环冷却系统，除了水箱、水泵、空气散热器和相应的管路系统外，还必须带上一箱沉甸甸的“非饮用水”，复杂而笨重，对于每一克质量都要斤斤计较的飞机设计师而言，无疑是弃之而后快的。但液冷式发动机迎风面积小，空气阻力也小，对于追求速度的作战飞机而

5、言无疑具有很大的优势，尤其是在整流罩技术广泛应用之前。第一次世界大战的爆发，极大地推动了航空工业的发展，由于战争参与国主要处于欧洲所以美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但其航空工业并不先进，法国在当时处于领先地位。在前线的美国航空中队的6287架飞机中有4791架时法国飞机，如装备伊斯潘诺-西扎V型液冷发动机的斯佩德战斗机。这种发动机的功率已达130220kW, 功重比为0.7kW/daN左右。飞机速度超过200km/h，升限6650m。在两次世界大战之间，在活塞式发动机领域出现几项重要的发明，为大幅度提高发动机和飞机的性能创造了条件：(1) 发动机整流罩既减小了飞机阻力，又解决

6、了气冷发动机的冷却困难问题，甚至可以的设计两排或四排汽缸的发动机，为增加功率创造了条件；(2) 废气涡轮增压器提高了高空条件下的进气压力，改善了发动机的高空性能：(3) 变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出；(4) 内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题；(5) 向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一：(6) 高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸内燃烧前压力由23逐步增加到56，甚至89，既提高了升功率，又降低了耗油率。由于技术的进步，气冷发动机变得越来越重要，应用也越来越广泛。但液冷发动机凭借着在空气阻力方面的优势仍然占据着一定的地位，特别是是对高速战斗机来说

7、，由于它的飞行高度高，受地面火力的威胁小，液冷发动机易损的弱点不突出。所以，它在许多战斗机上得到应用。二战期间，同样由于战争的推动，活塞式发动机进入历史上的最高峰，同时也出现了最初的燃气涡轮发动机。在此之间，液冷发动机也得到大规模应用，例如，美国在这次大战中生产量最大的5种战斗机中有4种采用液冷发动机。其中，值得一提的是英国罗罗公司的梅林发动机（图2）。它在1935年11月在“飓风”战斗机上首次飞行时，功率达到708kW；1936年在“喷火”战斗机上飞行时，功率提高到783kW。这两种飞机都时第二次世界大战期间有名的战斗机，速度分别达到624kmh和750kmh。梅林发动机的功率在战争末期达到

8、1238kW，甚至创造过1491kW的纪录。美国派克公司按专利生产了梅林发动机，用于改装p-51“野马”战斗机，使一种平常的飞机变成战时最优秀的战斗机。“野马”战斗机采用一个不常见的五叶螺旋桨，安装梅林发动机后，最大速度达到760hnh，飞行高度为1 5000m。除具有当时最快的速度外，“野马”战斗机的另一个突出的优点是有惊人的远航能力，它可以把盟军的轰炸机直护送到柏林。到战争结束时，“野马”战斗机在空战中共击落敌机4950架，居欧洲战场的首位。在远东和太平洋战场上，由于“野马”战斗机的参战，才结束了日本“零”式战斗机的霸主地位。航空史学界把“野马”飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作。2、 气冷式

9、活塞发动机由于液冷式发动机的冷却占据了太多的质量，而飞机在飞行当中总有强烈气流迎面而来，于是气冷式的设想由此而来。1908年8月22日，在法国兰斯举行了历史上首次世界航空博览会，这也就是现在著名的巴黎航展的前身。在这次博览会上，法国人塞甘兄弟发明的旋转气缸式发动机“土地神”活塞发动机（图3）引起了大会的轰动。这是一台五缸星形发动机，功率达50马力（37千瓦），功重比达到0.69.这些指标是当时的液冷发动机所望尘莫及的。该发动机的最大特点是取消了飞轮和液冷装置，曲轴固定而让汽缸与螺旋桨一起转动。这种结构的发动机无论在飞行中还是在地面静止状态，都可以让汽缸得到有效的冷却，同时按奇数呈星型排列的汽缸

10、本身还可以起到飞轮的作用，减轻了重量，使发动机运行更加平稳。另外，该发动机暖机快、起动快，并且在汽缸外壁采用了大量薄壁散热片，外形光洁利索，迎风阻力小。这些优点是的发动机重量轻、阻力小、加速快，特别适合与战斗机使用。这种发动机在一战中风行一时，几乎成了战斗 图3 “土地神”发动机 机的标准装备，中国当时的北洋政府也从法国购买了装备这种发动机的“高德隆”型飞机，并参与了1915年反对张勋复辟的战斗，是中国最早的一次空中军事行动。但这种发动机也有其突出的缺点：一是寿命短，一般不到50小时；二是油耗大；三是由于汽缸数目不能太多，限制了发动机功率的增加，最大功率一般不会超过270马力（200千瓦）；四

11、是由于汽缸质量大，旋转时会产生严重的陀螺效应，影响了飞机的操纵性能。此外，旋转气缸发动机的润滑油易溅出，引入转动汽缸的油管易失火等。随着新型的气冷星型发动机的出现，旋转汽缸发动机在一战后逐渐被淘汰。活塞式发动机提高功率最简单也是最直接的方法就是增加汽缸数，而星型发动机就是气缸成星形排列的发动机，一般采用气冷方式。随着一战结束，受到新的战争威胁的国家开始抓紧研究新的发动机，航空发动机技术得到了很大的发展。在此期间，在整流罩解决了阻力和冷却问题后，气冷星型发动机由于有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性好，功率增长潜力大等优点而得到迅速发展，并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上取代液冷发动机

12、。在20世纪20年代中期，美国莱特公司和普惠公司先后发展出单排的“旋风”和“飓风”以及“黄蜂”和“大黄蜂”发动机，最大功率超过400kW，功重比超过lkWMaN。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机的研制成功，发动机功率已提高到600820kW。此时，螺旋桨战斗机的飞行速度已超过500kmh，飞行高度达10000m。在第二次世纪大战期间，气冷星型发动机继续向大功率方向发展。其中比较著名的有普惠公司的双排“双黄蜂”(R-2800)和四排“巨黄蜂”(R-4360)。前者在1839年7月1日定型，开始时功率为1230kW，图4 双黄蜂（R-2800）星型气冷发动机 共发展出5个系列几十个改

13、型，最后功率达到2088kW，用于大量的军民用飞机和直升机。单单为P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机（图4），其中P-47 J的最大速度达805kmh。虽然有争议，但据说这是第二次世界大战中飞得最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位。在航空博物馆或航空展览会上，R-2800总是放置在中央位置。甚至有的航空史书上说，如果没有R-2800发动机，在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多。后者有四排28个汽缸，排量为71.5L，功率为22003000kW，是世界上功率晟大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。1941年，围绕六台R-4360发动机设计的B-36轰炸机是

14、少数推进是飞机之一，但未投入使用。莱特公司的R-2600和R-3350发动机也是很有名的双排气冷星型发动机。前者在1939年推出，功率为1120kW，用于第一架载买票旅客飞越大西洋的波音公司“快帆”314型四发水上飞机以及一些较小的鱼雷机、轰炸机和攻击机。后者在1941年投入使用，开始时功率为2088kW，主要用于著名的B-29“空中堡垒”战略轰炸机。R-3350在战后发展出一种重要改型涡轮组台发动机。发动机的排气驱动三个沿周向均布的废气涡轮，每个涡轮在最大状态下可发出150kW的功率。这样，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低达0.23kg(kWh)。1946年9月，装两台R-33

15、50涡轮组合发动机的P2V1“海王星”飞机创造了18090km的空中不加油的飞行距离世界纪录。在第二次世界大战开始之后和战后的最主要的技术进展有直接注油、涡轮组合发动机、低压点火。在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kw增加到2500kw左右，功率重量比从0.11 kWdaN提高到1.5 kWdaN左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约0.50 kg(kWh)降低到0.23-0.2 7 kg(kwh)。翻修寿命从几十小时延长到2000-3000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16kmh

16、提高到近800kmh，飞行高度达到15000m。可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。3、 活塞式发动机的现状正所谓物极必反，盛极必衰，由于发动机的功率与飞机的飞行速度的三次方成正比，随着飞行速度的进一步提高，发动机功率进一步增大，活塞式发动机的重量也迅速增大，已经不能满足高速飞行的要求；另一方面，螺旋桨的效率在飞行速度大于700千米/小时后会急剧下降，这两方面均限制了飞行速度的提高。因此，采用活塞式航空发动机螺旋桨组合的飞机，其飞行速度不可能接近音速。为了提高飞行速度，就像当初航空先驱者放弃蒸汽机一样，放弃活塞式发动机，而研制功率更大、重量更轻的新型航空发动机喷气发动机和燃气涡轮发动机。

17、当各种类型的燃气涡轮发动机和喷气发动机在20世纪40年代末至50年代末相继出现后，活塞式发动机逐渐退出了航空业的主战场。但由于活塞发动机具有油耗低、结构简单、价格便宜等优点，在功率小于270马力（200千瓦）的小型发动机上仍有一定的优势。目前在初级教练机、超轻型飞机、小型直升机、小型无人驾驶的靶机以及农、林用的小型飞机上仍广泛采用活塞发动机例如，北京航空航天大学研制的“蜜蜂”11型超轻型飞机采用46.2千瓦（62马力）的活塞式发动机，西北工业大学研制的B-2型遥控靶机采用10.4千瓦（14马力）的活塞式发动机，南昌飞机制造公司生产的轻型多用途飞机“运五”也采用活塞式发动机，在西藏平叛中立下大功

18、的轰炸机、运输机也采用活塞发动机。三、燃气涡轮发动机就在活塞式航空发动机统治着世界的天空时，喷气式发动机开始了自己的历史征程，如同所有新技术刚出现时一样，喷气式发动机的最初表现并不完美，总是带着这样那样的遗憾，但历史终究要前进，技术也要进步，航空发动机也终将步入喷气时代，直至又一个新时代的降临。燃气涡轮发动机按其结构和作用原理不同大概可分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机四大类。在燃气涡轮发动机的60多年发展历程中，大致经历了四次更新换代： 第一代是单转子亚音速喷气发动机。这一代发动机大多数在20世纪3040年代研制，40年代末50年代初投入使用。压气机采用离心式

19、和轴流式两种，总增压比在5左右，单管燃烧室，单级涡轮；推重比3左右。有代表性的机种有：美国的J47(TG-190)、前苏联的VK-1和法国的阿塔（Atar）发动机。 第二代是超声速涡喷发动机。这些发动机在第一代发动机的基础上有了许多创新，大都在50年代研制。主要技术特点是：双转子、进口导流叶片可调、超声速压气机、高温涡轮、推重比达到5左右。用这一代发动机装配的飞机都是超声速战斗机。代表机种有：美国的J79和前苏联的R11-300R。 第三代是超声速涡扇发动机。这一代发动机的研制始于60年代，主要技术特点是：涡扇发动机、核心机技术，2D设计、环形燃烧室、气冷涡轮、结构完整性设计、新材料、推重比8

20、。这一代发动机的成长得益于全世界各种大型试验设备的建设、计算技术和制造技术的发展。用这一代发动机装配的飞机都是高性能超声速战斗机。 代表机种有： 美国的F404和F100、 前苏联的AL31F和RD33、英国的RB199和法国的M88-2。 第四代是先进技术涡扇发动机。这一代从80年代中期开始发展，目前仍处于研制阶段。主要技术特点是：结构简单，抗撞击能力强，具有良好的耐久性可维护性；增加了不加力条件下的持续超声速巡航能力、 采用2D喷管的有限矢量推力能力和隐身能力。 第四代发动机的推重比为910。代表机种有：美国的F119、前苏联的AL-41F和英国的EJ200。 航空燃气涡轮发动机在60多年

21、的发展历史中经历了众多技术进步，如下表所示：表1 航空燃气涡轮发动机的技术进步年代4050年代6070年代8090年代21世纪初期机种涡喷,涡桨,涡轴涡喷,涡桨,涡轴,涡扇涡喷,涡桨,涡轴,涡扇涡喷,涡桨,涡轴,涡扇主要新技术轴流压气机 加力燃烧室 双位喷管 双转子结构 高空模拟试验 可调静子 钛合金 3倍马赫数 气冷高温涡轮超级合金 轻重量设计 可调喷管 航改地面燃气涡轮 高推重比（8） 高涵道比（48） 计算结构力学 三转子/单元体结构 数字电子控制超音速巡航 计算流体力学 矢量喷管 复合材料 全数字电子控制 飞行推进综合控制 全寿命成本 优化设计/隐身设计 部件级数字仿真设计超高推重比（

22、1520） 超高涵道比（1015） 超音速短距起飞/垂直着陆（STVOL） 变循环发动机 多/全电发动机 陶瓷和碳-碳材料 系统级数字仿真设计 经济承受性设计1、涡轮喷气发动机在燃气涡轮发动机的各种分类发动机中，涡轮喷气发动处于老大哥的地位，最早登台也最早进入暮年。涡轮喷气发动机按其压气机类型的不同可分为离心式和轴流式，按其发动机转子结构不同可分为单转子和双转子涡轮喷气发动机。离心式发动机（图5）结构简 单，制造方便，坚固耐用，工作稳 图5离心式涡轮喷气式发动机定性较好，早期的涡轮喷气发动机大多为离心式但离心式压气机单位迎风面积达，效率、增压比和流通能力都不如轴流式压气机，推力受到限制。因此，

23、从20世纪50年代后，大中型发动机都不用离心式，只有小型涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机才采用离心式或轴流加离心组合式压气机。 图6 轴流式涡轮喷气发动机轴流式发动机（图6）具有效率高、增压比大和流通能力强等许多优点，目前推力稍大一些的涡轮喷气发动机均为轴流式。轴流式发动机还可分为单转子发动机和双转 子发动机，但目前多采用双转子发动机。 单转子涡轮喷气发动机是指压气机和涡轮共用一根轴的涡轮喷气发动机。其优点是结构简单，造价低廉，早期的涡轮发动机多是单转子发动机。而其缺点是稳定工作范围窄，随着增压比的提高，它已被双转子发动机所取代。目前，法国的“幻影”战斗机所用的M53发动机（图7）是世界上唯一还在服役

24、的单转子涡轮风扇发动机。图7 M53的结构双转子涡轮喷气发动机（图8）是有两个只有气动联系、且具有同心轴转子的涡轮喷气发动机。它把一台高增压比的压气机分为两个低增压比的压气机即低压压气机、高压压气机，分别由各自的涡轮即低压涡轮、高压涡轮所带动，以各自的最佳转速工作，形成两个只有气动联系的高、低压转子。这种发动机具有总增压比高、效率高、稳定工作范围宽、起动功率小、加速性好等优点。世界上第一台双转子发动机是1952年定型的美国J57 图8 双转子涡轮喷气发动机 涡轮喷气发动机。除早期发展的涡轮喷气发动机外，绝大多数涡轮喷气发动机都是双转子发动机。涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃

25、烧室、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成。其中压气机、燃烧室和涡轮是核心部件，发动机推力主要由尾喷管向后喷气产生的反作用力提供。提高涡轮喷气发动机推力的方法主要有提高涡轮前温度和增大空气流量，前者受涡轮叶片所采用材料的限制不能过高，后者则催生出了涡扇发动机。涡轮喷气发动机（含涡轮风扇发动机）的主要性能参数有推力、耗油率、重量、外形尺寸等，但除耗油率外，其他参数只能表征发动机具有的能力（如推力）与特征（如重量、外形尺寸），而不能表征它的好坏。另外，还常常采用“推重比”，即单位质量所产生的推力【推重比=推力（千牛）/重量（千克）】，来作为表征涡轮喷气、涡轮风扇发动机性能好坏的一个重要的综合参数。

26、而另一个重要参数“耗油率”，表示发动机产生1千牛推力每小时所消耗的燃油量（千克），其单位是千克/千牛小时。对用于战斗机的发动机，推重比是主要考虑的参数；对于客机、运输机用的发动机来说，耗油率是主要考虑的参数。此外，比较发动机好坏的参数还有：单位迎风面积的推力、单位空气流量的推力以及耐久性（工作寿命）参数、可靠性参数等。涡轮喷气、涡轮风扇发动机的性能好坏，在很大程度上决定于发动机设计中所采用的循环参数。对于涡轮喷气发动机，主要循环参数有：增压比、涡轮前温度；对于涡轮风扇发动机，主要循环参数有：总增压比（总增压比=风扇增压比高压压气机增压比，或者高压压气机出口处空气压强/风扇进口处空气压强）、涡轮

27、前燃气温度和涵道比等。二战前后，德国、英国、美国和苏联都先后开始研制涡轮喷气发动机。英国的惠特尔和德国的奥海因分别在1937年7月14日和1937年9月研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和HeS3。前者推力为5.3千牛，但1941年5月15日首次试飞的格罗斯特公司E2839飞机装的是其改进型W，推力为5.4千牛，推重比220。后者推力为4.9千牛，推重比138，于1939年8月27日率先装在亨克尔公司的He-178飞机上试飞成功。这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开创了喷气推进新时代和航空事业的新纪元。世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫-004（图9），1940年10月开始台架试车

28、，1941年12月推力达到9.8千牛，1942年7月18日装在梅塞施米特Me-262飞机上试飞成功。自1944年9月至1945年5月，Me-262共击落盟军飞机613架，自己损失200架(包括非战斗损失)。英国的第一种实用涡轮喷气发动机是1943年4月罗罗公司推出的威兰德，推力为7.55千牛，推重比2.0。该发动机当年投入生产后即装备“流星”战斗机，于1944年5月交给英国空军使用。该机曾在英吉利海峡上空成功地拦截了德国的V-I导弹，英国于1945年11月使涡轮喷气式战斗机“流星”的速度超过了当时飞得最快的装活塞式发动机的战斗机P-51“野马”的速度，并于1946年创造了时速975千米/小时的

29、世界纪录。美国的P-80装一台J33涡轮喷气发动机，此即后来的F-80，是美国第一种服役的喷气式战斗机。战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气公司的J47轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机的推力都在26.5千牛左右，推重比为2-3，它们分别在1949年和1948年装在F-86和米格-15战斗机上服役。这两种飞机虽然使用涡轮喷气式发动机，但并未能进行超音速飞行，只能属于亚音速战斗机。在朝鲜战争期间，中苏空军与美国空军使用这两种战斗机展开了你死我活的空战，揭开了喷气式战斗机空战的序幕。20世纪5

30、0年代初，加力燃烧室的采用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力，为飞机突破声障提供足够的推力。典型的发动机有美国的J57（图10）和苏联的RD-9B（图11），它们的加力推力分别为70千牛和32.5千牛，推重比各为3.5和4.5。它们分别装在超声速图10 J57涡轮喷气发动机图11 RD-9B涡轮喷气发动机的单发F-100和双发米格-19战斗机上。在50年代末和60年代初，各国研制了适合M2以上飞机的一批涡喷发动机，如J79、J75、埃汶、奥林帕斯、阿塔9C、R-1l和R-13，推重比已达5-6。在60年代中期还发展出用于M3一级飞机的J58和R-3l涡喷发动机。到70年代初，用于“协和”超声

31、速客机的奥林帕斯593涡喷发动机定型，最大推力达到170千牛，从此再没有重要的涡喷发动机问世。涡轮喷气发动机克服了带螺旋桨的活塞式发动机的主要缺点，使战斗机顺利突破了“声障”，而且为飞机高空飞行提供了条件，使飞机从亚音速进入了超音速飞行的新时代。涡轮喷气发动机为飞机的快速发展立下了不可磨灭的功勋，但涡喷发动机在产生推力时，有大量仍具有一定热能、动能的高温燃气高速排出，损失了大量能量。因此，涡轮喷气发动机的使用经济性差，这是制约它继续发展的致命弱点。涡轮喷气发动机的耗油率在0.9-1.0千克/（千牛小时）之间，在使用加力燃烧室时则几乎增大一倍，约为2.0千克/（千牛小时）左右。所以，装涡轮喷气发

32、动机的战斗机航程短、作战半径小，也就是人们常说的“腿短”。面对涡轮喷气发动机的局限性，从事航空发动机研究的前辈们，充分发挥了他们的聪明才智，引入了创新思维，发展了既保持涡轮喷气发动机所具有的活塞式发动机根本无法比拟的优点，有明显提高了其经济性的发动机涡轮风扇发动机。从20世纪60年代开始，涡轮喷气发动机便逐渐被涡轮风扇发动机所取代。2、涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机是由在压气机前安装的一级或多级风扇形成的外涵气流与内涵喷管排出的或内外涵气流掺混后排出的燃气共同产生推力的燃气涡轮发动机（图12）。 图12 涡轮风扇发动机简图涡扇发动机全称为涡轮风扇发动机是飞机发动机的一种，由涡轮喷气发动机发展而成

33、。 与涡轮喷气发动机比较，主要特点是首级压缩机的面积大很多，同时被用作为空气螺旋桨（扇），将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向後推。发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。外涵与内涵空气流量之比称为涵道比，又称流量比，是影响涡轮风扇发动机性能好坏的一个重要循环参数。涵道比高于4-5的称为高涵道比涡轮风扇发动机，排气速度低、推进效率高、经济性好，适用于大型远程客机和运输机，但迎风面积大，不宜与做超音速飞行；涵道比低于2-3的称为低涵道比涡轮风扇发动机，一般战斗机用的加力涡轮风扇发动机的涵道比大多小于1.0，甚至0.3以下。只有要求在空中做长时间巡逻的战

34、斗机，其涵道比选为1.0左右。多转子涡轮风扇发动机中最后一个压气机的出口压强与第一个压气机（风扇）的进口压强之比就是总增压比，它也是涡轮风扇发动机的一个重要设计参数，对发动机的耗油率和单位推力都有显著的影响。目前，加力涡扇发动机的总增压比为25-35，高涵道比涡轮风扇发动机的总增压比已高达35-45，未来高涵道比涡轮风扇发动机的总增压比可能要提高到50-100。涡扇发动机的发展是从民用发动机开始的。世界上第一台涡扇发动机是1959年定型的图13 康维涡扇发动机英国康维（图13），推力为57.3千牛，用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比有0.3和0.6两种，耗油率比同时期的涡喷发动机

35、低10%-20%。1960年，美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡扇发动机，推力超过77千牛，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客机以及军用运输机，这些可以算是第一代涡扇发动机。以后，涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。 表2 F-4换装后性能提高的情况在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，20世纪60年代，英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30，即第二代涡扇发动机，分别用于英国购买的“鬼怪”F-4MK战斗机和美国的F-111(后又用于F-14战斗机)。F-4“鬼怪”战斗机原来用的是涡轮喷气发动机，英国购买后将其改

36、装为斯贝-MK202涡扇发动机，其性能变化如表2所示。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，但中间耗油率低，使飞机航程大大增加。这一代发动机在涡扇发动机的历史上起着承前启后的作用。在70-80年代，各国研制出推重比8一级的涡扇发动机，如美国的F100（图14）、F404、F110，西欧三国的RBl99，前苏联的RD-33和AL-31F（图15）。它们装备目前在一线的第三战斗机，如F-15、F-16、F-18、“狂风”、米格-29和苏-27。这些新一代的发动机即第三代涡扇发动机取得了突破性进展，使新一代战斗机（即第三代战斗机）的推重比达到了1以上，这些战机也是目前的主力战机。目前，推重比10一

37、级的涡扇发动机己研制成功，即将投入服役。它们包括美国的F-22F119（图16）、西欧的EFA2000EJ200和法国的“阵风”M88。其中，F-22F119具有第四代战斗机代表性特征超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F136正在研制之中，预计将于20102012年投入服役。图14 F100涡扇发动机自20世纪70年代第一代推力在200千牛以上的高涵道比(46)涡扇发动机投入使用以来，开创了大型宽体客机的新时代。后来，又发展出推力小于200千牛的不同推力级的高涵道比涡扇发动机，广泛用于各种干线和支线客机。100150千牛推力级的CFM56（图17）

38、系列已生产13000多台，并创造了机上寿命超过30000h的记录。民用涡扇发动机依然投入使用以来，已使巡航耗油率降低一半，噪声下降20dB，CO、UHC、NOx分别减少70、90、45。90年代中期装备波音777投入使用的第二代高涵道比(6-9)涡扇发动机的推力超过350千牛。其中，通用电气公司GE90-115B在2003年2月创造了569千牛的发动机推力世界纪录。目前，普惠公司正在研制新一代涡扇发动机PWS000，这种齿轮传动涡扇发动机，推力为110160千牛，涵道比11，耗油率下降9。3、涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机是由螺旋桨提供拉力(或推力)的燃气涡轮发动机，其驱动原理大致上与使用活

39、塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。其与活塞式螺桨机主要的差异点除了驱动螺旋桨中心轴的动力来源不同外，还有就是涡桨发动机的螺旋桨通常是以恒定的速率运转，而活塞动力的螺旋桨则会依照发动机的转速不同而有转速高低的变化。虽然涡桨发动机的燃烧室与涡轮喷气发动机类似，但为了自排废气中回收较多的动力以驱动螺旋桨，涡桨引擎的涡轮端之扇叶级数比较高。相反的，由于涡轮喷气发动机主要的推进力都来自于热气直接排放至大气中所产生的反作用力，因此其涡轮端的扇叶级距数越小越好，只需保持足够的回收动力用来驱动压缩端的扇叶即可。事实上，涡桨发动机的效率亦高于涡轮风扇发

40、动机，但是使用涡桨引擎的飞机速度通常较涡轮风扇发动机的飞机来的低。原因是涡桨引擎的涵道比通常比涡轮风扇引擎来的高，但是也造成其桨叶端部分速度很高，有产生激波的可能。另外，因涡轮转动速度很快，使得涡轮与螺桨之间必须要有变速齿轮，来降低螺桨转速使其叶端不要超过音速。所以使用螺桨发动机的飞机要加上变速齿轮的重量。1942年，英国开始研制世界上第一台涡桨发动机曼巴。该机装在海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。以后，英国、美国和前苏联陆续研制出多种涡桨发动机，如达特、T56、AI-20和AI-24。这些涡桨发动机的耗油率低，起飞推力大，装备了一些重要的运输机和轰炸机。图18 T56涡桨发动机美国在1956年服役

41、的涡桨发动机T56501，装于C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机。它的功率范围为25804414 kW，有多个军民用系列，已生产了17000多台，出口到50多个国家和地区，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一，至今还在生产。前苏联的HK一12M的最达功率达11000kW，用于图一20“熊”式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。其中加拿大普惠公司的PT6A发动机是典型代表，40年来，这个功率范围为3501100kW的发动机系

42、列已发展出30多个改型，用于144个国家的近百种飞机，共生产了30000多台。美国在90年代在T56和T406的基础上研制出新一代高速支线飞机用的AE2100是当前最先进的涡桨发动机，功率范围为29835966 kW，其起飞耗油率特低，为0.249 kg(kWh)。之后西欧四国决定为欧洲中型军用运输机A400M研制TP400涡桨发动机，该发动机以法国的M88的核心机为基础，功率为7460kW，计划于2008年定型。在20世纪80年代后期，掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇(uDF)GE3

43、6曾进行了飞行试验。由于种种原因，只有俄罗斯和乌克兰的安-70D-2 7进入工程研制并计划批生产装备部队。但因飞机技术老化、发动机噪声不符合欧洲标准和试验中发生的问题较多，最终俄乌双方作出放弃装备该机的决定。4、 涡轮轴发动机涡轮轴发动机是输出轴功率的燃气涡轮发动机，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。在带有压气机的涡轮发动机这一类型中，涡轮

44、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.。涡轮轴发动机于1951年12月开始装在直升机上，作第一次飞行。那时它属于涡轮螺桨发动机，并没有自成体系。以后随着直升机在军事和国民经济上使用越来越普遍，涡轮轴发动机才获得独立的地位。从1950年法国透博梅卡公司研制出206 kW的阿都斯特I型涡轴发动机并装备美国的S52-5直升机上首飞成功以后，涡轮轴发动机在直升机领域逐步取代活塞式发动机而成为最主要的动力形式。半个世纪以来，涡轴发动机已成功的发展出四代，功重比已从2kWdaN提高到6.87.1 kWdaN。第三代涡轴发动机是20世纪70年代设计，80年代投产的产品。主要代

45、表机型有马基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，装备AS322“超美洲豹”、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代涡轴发动机是20世纪80年代末90年代初开始研制的新一代发动机，代表机型有英、法联合研制的RTM322、美国的TS00-LHT-800、德法英联合研制的MTR390（图19） 和俄罗斯的TVDl500，用于NH-90、EH-101、WAIH-64、RAH-66“科曼奇”、PAH-2HAPHAC“虎”和卡-52。世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的D-136，起飞功率为75 00 kW，装两台发动机的米-26直升机可运载20 t的货物。以T406涡轮轴发动

46、机为动力的倾转旋翼机V-22突破常规旋翼机400 km h的飞行速度上限，一下子 图19 MTR390涡轴发动机提高到638 kmh。目前，美国正准备利陆军计划利用高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划第一阶段和第二阶段的成果发展用于UH-60A“黑鹰”AH-64A“阿帕奇”改进型的动力共用发动机项目(CEP)。CEP的目标是耗油率减少2530，功重比提高60，采购成本和维护成本最小减少20，使直升机的航程增加60或载荷增加70，同时减少后勤服务和维护的负担。CEP项目的生产型发动机的功率限制在2240kW。为满足未来运输旋翼机(FTR)的动力需求2004财年将开始一个利用IHPTET第二阶

47、段和第三阶段技术的发动机验证计划。这种发动机的功率为7460kW，其工程和制造研制(EMD)将于2008到2010财年进行。预计FTR与现在的重型运输直升机相比。可使航程增加三倍，或载荷增加一倍。面对新世纪，人们在不断改进现有发动机的同时，开始努力发展下一代涡轴发动机，抢占技术制高点。下一代涡轴发动机的主要特点有：（1） 在性能方面，压气机增压比、涡轮前温度将有较大幅度提高，由此单位功率和功重比也将有较大提高，耗油率将显著下降。（2） 在结构方面，新材料和新工艺的使用，将会使下一代涡轮轴发动机的重量更轻，工作更为可靠。（3） 在价格和维护性方面，下一代涡轮轴发动机的单位寿命价格应能进一步降低，而且更便于维护。（4） 下一代涡轮轴发动机可能采用的新方案有变循环涡轮轴发动机和可转换的涡轴/涡扇发动机。这些方案力图使新的发动机在降低耗油率，提高直升机飞行速度等方面取得突破性进展。（5） 为克服涡轮轴发动机和直升机传统的传动减速装置十分笨重的缺点，国外已开始研究喷气旋翼和翼尖喷气发动机及液压传动减速系统。如果这些方案能够实施，将会给直升机动力装置涡轮轴发动机带来一场革命。四、未来展望航空燃气涡轮发动机问世以后的60年来在技术上取得的重大进步可用下列数字表明：(1)服役的战斗机发动机推重比从2提