航空发动机，飞机吸气涡轮发动机火箭喷气发动机原理

发布时间：2023-06-14 18:48:12

航空发动机是飞机动力装置的主要组成部分，为飞机提供飞行所需动力。现代航空发动机主要有两种：活塞发动机，常用于低速、小型、短程飞

航空发动机是飞机动力装置的主要组成部分，为飞机提供飞行所需动力。现代航空发动机主要有两种：活塞发动机，常用于低速、小型、短程飞机；喷气式发动机，常用于高速、中型、中远程飞机。其中，涡轮风扇发动机（Turbofan Engine）是燃气涡轮式航空发动机的一种，其首级扇叶面积较涡轮喷气发动机大很多，有部分吸入的空气经由外涵道膨胀而提供推力。流过外涵道与流过内涵道的空气质量流量之比称为涵道比

涡扇发动机将内涵的循环功转换为两个涵道内全部空气的动能，气流流出发动机的平均速度更低、减少了排气的动能损失，因而在亚音速飞行时的推进效率高于涡喷发动机，而且是涵道比越高、推进效率越高。然而，由于高涵道比涡扇发动机迎风面积更大、空气阻力更大，在超音速飞行时低涵道比涡扇发动机推进效率反而更高。基于以上特性，高涵道比涡扇发动机是现代商用飞机的主流之选，仅有部分支线飞机选择涡轮螺旋桨发动机（ATR42/72 系列、庞巴迪 Q 系列、新舟系列）。

民用航空动力发展新方向：齿轮传动式涡扇技术、开式转子技术、分布式混合电推技术。
齿轮传动式涡扇（Geared Turbofan/ GTF）：Pratt & Whitney 1998 年开始研发齿轮传动式涡扇发动机，GTF 2008 年更名为 PW1000G，2016 年进入量产阶段。GTF 相对于传统的涡扇发动机核心机没有根本变化，仅增加一个减速箱以实现风扇和低压涡轮各自转速的最优。与传统涡扇发动机相比，GTF 的燃油消耗率可降低 16%、噪音可降低 75%。
► 开式转子（Open Rotor）：又称为桨扇发动机（Propfan）、无涵道风扇发动机（UnductedFan/ UDF）。该型发动机采用相互反转的风扇、风扇没有短舱包裹，从而实现超高涵道比。与传统涡扇发动机相比，开式转子发动机燃油消耗率可降低 30%。在欧盟净洁天空计划下，Rolls-Royce、Safran 各自正在承担一项验证机项目；Safran 预计开式转子发动机在 2030 年投入使用。

核心力量：战机之心、强国之魂
空中力量适应“非接触”作战和信息化战争趋势，是现代战场核心。非
接触作战是指运用 C4ISR 系统和远程作战武器，对敌实施防区外远程精
确打击的作战模式，其作战方式主要有两种：一种是从距目标800至1000
千米的基地或军舰发射巡航导弹; 另一种是战机在距目标 40 至 50 千米
的高空发射制导炸弹，两种方式均依赖信息化装备和战斗机等机动载体
支持。一方面，飞机可搭载雷达、通信系统成为移动情报及指挥中心，可
完成远程侦察、情报传输，是海陆空“网络化”作战核心；另一方
面，飞机可摆脱地形限制，搭载精确制导炸弹等进行远程精确打击，
这样的“非接触”式打击可以在极大降低己方损失的情况下消灭对
方有生力量。

按构造原理，航空发动机分为活塞式、涡轮喷气式和冲压式。首先，判
别之前需要辨析几组概念及其作用：
 压气机与涡轮。压气机安装在发动机前端，用于吸入空气并对其减
速升压，涡轮安装在发动机后端，用于对燃气降压降温，并为压气
机和其他部件提供动力。
 高压部件与低压部件。航空发动机压气机与涡轮分为高压、低压级，
涡扇发动机的低压压气机第一级也被称为风扇。高压压气机、燃烧
室与高压涡轮称为高压部件，通常也被称作核心机（燃气发生器），
是燃气产生部件。低压部件包括低压压气机和低压涡轮等，主要用
于吸入空气和排出燃气提供推力。在大多数发动机中，高压部件与
低压部件没有机械连系，各自工作于不同的转速。
 燃气涡轮与动力涡轮。燃气产生的能量主要用于两部分：一部分通
过与燃烧室直接接触的燃气涡轮（一般为高压部件）传递给压气机；
另一部分通过动力涡轮（一般为低压部件）传动其他部件，提高能
量利用效率。
 内涵与外涵。对涡扇发动机而言，空气经风扇压缩后，一部分流入
燃气发生器，称为内涵气流；另一部分围绕燃气发生器外环流过，
直接产生推力，称为外涵气流。外涵道与内涵道空气流量的比值称
为涵道比，涵道比对发动机性能与结构影响巨大。
 直接反作用与间接反作用。直接反作用是利用向后高速喷出燃气获
得向前反推力，包括涡喷发动机、冲压发动机；而间接反作用是将
燃气内能转化为风扇或螺桨机械能，压缩空气产生推力，例如涡轴、
涡桨和涡扇发动机。

活塞式发动机在 1900s 至 1940s 统治航空动力领域，1950s 后逐渐被涡
轮喷气式发动机取代。活塞式发动机燃气温度压强较低，对材料和制备
要求较低，因此最早得到广泛应用。1903 年首台活塞式航空发动机飞行
试验成功，在两次世界大战推动作用下性能不断完善，功率从 10kW 提
高到 2500kW 左右，功重比从 0.11kW/daN 提高到 1.5kW/daN，飞行速度最高达到 0.7 马赫。但由于输出功率较低，且飞行速度受到螺旋桨限制，因此在 1950 年代以后逐渐被涡轮喷气式发动机取代。涡轮式发动机发展历经两条主线。一是涡喷发动机的涡扇化，二是飞机螺旋桨和直升机旋翼的喷气化，即涡桨发动机和涡轴发动机的发展。

民用涡扇向低噪音、低油耗、低排放方向发展，新材料应用比重增
大。以 GE 最新产品 GE9X 为例，核心机增压比达到 27，是 GE 公
司截至目前发展的增压比最高的核心机；核心机增压比的提高，使
得 GE9X 发动机总增压比由 GE90 的 40 提高至 60 以上。压气机后
和高压涡轮进口工作温度已经超出现有常规材料的承受范围，因此
GE 发展了第四代粉末合金材料、陶瓷基复合材料（CMC）火焰筒
与涡轮以及先进冷却技术。新一代发动机普遍燃油效率提升 10％以
上、排放降低 40%~60%、维修成本降低 20%左右，风扇叶片的减
少也带来重量减轻和维修成本降低。