各种喷气式发动机简介

涡轮喷气发动机的诞生二战以前，活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就，使得人类获得了挑战天空的能力。

但到了三十年代末，航空技术的发展使得这一组合达到了极限。

螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减。

螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高。

同时随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也会减小。

这促生了全新的喷气发动机推进体系。

喷气发动机吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，对发动机产生反作用力，推动飞机向前飞行。

早在1913年，法国工程师雷恩·洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。

但当时没有相应的助推手段和相应材料，喷气推进只是一个空想。

1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。

11年后他设计的发动机首次飞行，从而成为了涡轮喷气发动机的鼻祖。

涡轮喷气发动机的原理涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。

部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。

涡喷发动机属于热机，做功原则同样为：高压下输入能量，低压下释放能量。

工作时，发动机首先从进气道吸入空气。

这一过程并不是简单的开个进气道即可，由于飞行速度是变化的，而压气机对进气速度有严格要求，因而进气道必需可以将进气速度控制在合适的范围。

压气机顾名思义，用于提高吸入的空气的的压力。

压气机主要为扇叶形式，叶片转动对气流做功，使气流的压力、温度升高。

随后高压气流进入燃烧室。

燃烧室的燃油喷嘴射出油料，与空气混合后点火，产生高温高压燃气，向后排出。

高温高压燃气向后流过高温涡轮，部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，驱动涡轮旋转。

由于高温涡轮同压气机装在同一条轴上，因此也驱动压气机旋转，从而反复的压缩吸入的空气。

从高温涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从尾部喷口向后排出。

这一速度比气流进入发动机的速度大得多，从而产生了对发动机的反作用推力，驱使飞机向前飞行。

涡喷发动机剖视示意图涡轮喷气发动机的优缺点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。

涡轮风扇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，但是因为飞机重量增大了，推力也要增大。

综合起来，新型发动机必须提高效率，而不能单纯的提高推力。

涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求，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。

实际上早在30年代起，带有外涵道的喷气发动机已经出现了一些粗糙的早期设计。

40和50年代，早期涡扇发动机开始了试验。

但由于对风扇叶片设计制造的要求非常高。

因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。

50年代，美国的NACA(即NASA 美国航空航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要的科研工作。

55到56年研究成果转由通用电气公司(GE)继续深入发展。

GE在1957年成功推出了CJ805-23型涡扇发动机，立即打破了超音速喷气发动机的大量纪录。

但最早的实用化的涡扇发动机则是普拉特·惠特尼(Pratt & Whitney)公司的JT3D涡扇发动机。

实际上普·惠公司启动涡扇研制项目要比GE晚，他们是在探听到GE在研制CJ805的机密后，匆忙加紧工作，抢先推出了了实用的JT3D。

1960年，罗尔斯·罗伊斯公司的“康维”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用，成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。

60年代洛克西德“三星”客机和波音747“珍宝”客机采用了罗·罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机，标志着涡扇发动机的全面成熟。

此后涡轮喷气发动机迅速的被西方民用航空工业抛弃。

JT-3D或CJ805-23的研制，粗略的说是在现有的涡喷发动机加上风扇。

这种以现有发动机作为“核心机”的做法，降低了技术上最难解决的部分的难度。

波音707的军用型号之一，KC-135加油机。

不加力式涡扇发动机实际上较为容易辨认，其外部有一直径很大的风扇外壳。

涡轮风扇喷气发动机的原理战斗机动力装置的设计，总是追求更高的推重比；大型飞机自重和载重的不断增大，对发动机提出了更高的推力要求。

而涡扇发动机的诞生就是为了顺应人们对航空发动机越来越高的推力要求而诞生的。

因为提高喷气发动机的推力最简单的办法就是提高发动机的空气流量。

涡桨发动机的推力有限，同时影响飞机提高飞行速度。

因此必需提高喷气发动机的效率。

发动机的效率包括热效率和推进效率两个部分。

提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比，就可以提高热效率。

因为高温、高密度的气体包含的能量要大。

但是，在飞行速度不变的条件下，提高涡轮前温度，自然会使排气速度加大。

而流速快的气体在排出时动能损失大。

因此，片面的加大热功率，即加大涡轮前温度，会导致推进效率的下降。

要全面提高发动机效率，必需解决热效率和推进效率这一对矛盾。

涡轮风扇发动机的妙处，就在于既提高涡轮前温度，又不增加排气速度。

涡扇发动机的结构，实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮，这些涡轮带动一定数量的风扇。

风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样，送进压气机(术语称“内涵道”)，另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)。

因此，涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。

这时，为提高热效率而提高涡轮前温度，可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，从而避免大幅增加排气速度。

热效率和推进效率取得了平衡，发动机的效率得到极大提高。

效率高就意味着油耗低，飞机航程变得更远。

加力式涡扇发动机不加力式涡扇发动机涡轮风扇喷气发动机的结构涡轮风扇发动机可以再细分为不加力式和加力式。

前者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，而且随著速度的增加，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。

从结构上看，目前涡扇发动机可分为单转子、双转子、三转子。

单转子就是把风扇、压气机、涡轮全部做在一根转轴上。

优点很明显：结构简单，节省费用。

但是，风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮只能以相同的转速工作，这种结构的缺点正来源于此。

几个部分之间只能互相迁就，无法都工作在最佳的状态。

例如，突然减小油门时，高压部分就会因为得不到足够的转数而效率严重下降，在高压部分的效率下降的同时，压气机低压部分的载荷就会急剧上升，当低压压气机部分超载运行时就会引起发动机的振喘。

而在正常的飞行当中，发动机的振喘是决对不被允许的，有失去动力坠毁的危险。

为了解决低压部分在工作中的过载，只好在压气机前加装导流叶片和在压气机的中间级上进行放气，即空放掉一部分以经被增压的空气来减少压气机低压部分的载荷。

但这样发动机效率就会大打折扣，而且这种放掉增压气的作法在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显。

此外，由于风扇必须和压气机同步，受压气机的高转数所限单转子涡扇发动机只能选用比较小的函道比。

比如在幻影-2000上用的M-53单转子涡扇发动机，其函道只有0.3。

相应的发动机的推重比也比较小，只有5.8。

于是，双转子结构应运而生，使得发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下。

这样低压压气机与低压涡轮联动形成了低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成了高压转子。

这样就解决了单转子结构存在的主要问题。

由于转速提高，高压转子的直径可以小一些，这样在双转子的喷气发动机上就形成了一个“蜂腰”，发动机附属设备（比如燃油调节器、起动装置等等）就可以很便的装在这个“蜂腰”上，减少发动机的迎风面积，降低飞行阻力。

同时，双转子发动机的的高压转子比较轻，起动惯性小，所以设计时只把高压转子设计成用启动机来驱动，这样双转子的启动也比较容易，启动能量要求较小，启动设备重量降低。

然而双转子结构的涡扇发动机也并不是完美的。

在双转子结构的涡扇发动机上，由于风扇要和低压压气机联动，风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。

风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。

而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。

这样压气机的重量就很难得以下降。

为了解压气机和风扇转数上的矛盾。

人们很自然的想到了三转子结构，所谓三转子就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。

这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。

三个转子之间没有相对固定的机械联接。

如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转。

设计师们就可以相对自由的来设计发动机风扇转速、风扇直径以及函道比。

而低压压气机的转速也可以不受风扇的肘制，低压压气机的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。

但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂。