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航空发动机分类知多少

2015-05-07 11:59:58来源:- 移民责任编辑:信昕 点击量:
 
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    自从莱特兄弟的飞行者一号成功飞行以来,航空发动机就已经成为一个单独的产业蓬勃发展。与传统的汽车发动机相比,航空发动机具有重量轻、推重比大、所使用的油料热值高等特点。发动机的成败直接决定了飞机的性能,但要造出一台性能优秀的航空发动机并不简单。现代的航空发动机技术含量极高,制造工艺复杂,对材料的选用也非常苛刻,因此目前只有个别工业发达的国家可以独自研发并制造高性能航空发动机。
 
可容纳两人的·Stipa-Caproni采用了涵道技术
 
    由于飞机的种类繁多,用途也不尽相同,不同类型的飞机所对应的航空发动机也有很大差异。在现役飞机中最常见的航空发动机为活塞航空发动机和燃气涡轮发动机。而燃气涡轮发动机具体分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机,这几款发动机是目前使用最广泛的航空发动机。
 
活塞航空发动机
 
    在飞机刚刚问世的时候,飞行先驱首先就想到把将汽车的内燃机安装到飞机上去,作为推动飞机飞行的动力。由于当时飞机的飞行速度较慢,气冷发动机必须将发动机裸露在机体外面才能散热,这对飞机速度造成很大影响,水冷发动机成为当时发动机的唯一选择。到二次大战的时候,飞机开始追求流线的设计。高速飞行的飞机,再加上发动机整流罩的出现,风冷发动机借此重新回到飞机发动机的舞台。在风冷发动机中,气冷星型发动机最受欢迎。气冷星型发动机具有重量轻,可靠性高、功率增长空间大等众多优势,在各国得到迅速发展。其中普·惠公司的R-2800气冷星型发动机功率达到1,230kW,经过改进,功率达到了2,088kW。装备了R-2800改进型的P-47J型战斗机,速度可以到了每小时811千米。
 
活塞航空发动机
 
    经过近50年的发展和战争的推动,活塞航空发动机的性能和最初相比有了质的飞跃。从莱特兄弟的飞行者一号所装备的12马力发动机,与四十年代末的大型轰炸机所搭载的发动机相比,发动机功率从不到10千瓦到提高到了2,500千瓦,功率重量比从0.11 kW/daN提高到1.5kW/daN,耗油从0.50kg/(kW·h)降低到了0.23~0.27 kg/(kW·h),就连发动机大修时间也从最初的几十小时延长到了2,000至3,000小时。四十年代末,装备了活塞式发动机的螺旋桨飞机达到了巅峰。但由于发动机高速旋转,螺旋桨顶端已经接近音速,导致螺旋桨的效率大幅下降,从而直接影响了推力以及飞机的速度。
 
P-47J是第一款时速超过每小时800千米的螺旋桨飞机
 
    随着喷气时代的到来,活塞航空发动机大量退出了军用飞机和民航飞机,但由于使用成本低廉、维修便利、容易学习,仍然被广泛的用于通用航空领域。活塞航空发动机非常适合尺寸较小的私人飞机、农林飞机、轻型运动飞机等通用航空飞机。通用航空飞机对速度没有很高的要求,并且大展弦比的小型飞机在遇到发动机故障时,更可以凭借着优良的滑翔比,寻找安全的着陆点,提升自身的安全。
 
涡轮喷气发动机
 
    1939年8月27,德国人驾驶着装备了涡轮喷气发动机的He178进行了首次试飞。对于航空工业来说是重要的一天。因为从这一天起,以活塞航空发动机以外的发动机为动力的飞机,开始登上天空的舞台。
 
涡轮喷气发动机
 
    涡轮喷气发动机是最早的燃气涡轮发动机。涡轮喷气发动机是依赖气流产生推力的发动机,通常用在高速飞行的飞机上。涡轮喷气发动机又分为离心式与轴流式两种,和离心式涡轮喷气发动机,轴流式涡轮喷气发动机具有更小的横截面积,压缩比也更高。在现代飞机所装备的涡轮喷气发动机中,均为轴流式。
 
德国与二战后期制造的Me-262,是第一款实用的使用涡轮喷气发动机的飞机
 
    涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。大多数战斗机还在涡轮喷气发动机在涡轮与尾喷管之间,安装了加力燃烧室。加力燃烧室在加力发动机上向燃气以及风扇后气流喷油、点火、燃烧,以提高气流温度。就是由于温度高,所以我们经常看到战斗机尾部在喷火。有了加力燃烧室的飞机可以在短期内增大发动机推力,大多在突破音速时使用。目前涡轮喷气发动机主要用于超音速战斗机和超音速轰炸机。
 
涡轮风扇发动机
 
    涡轮风扇发动机由涡轮喷气发动机发展而来,与涡轮喷气发动机相比,涡轮风扇发动机的首级压缩机面积很大,并且被同时用作为空气螺旋桨,将部分吸入的空气通过喷射引擎的四周推到后部。
 
涡轮风扇发动机
 
    和涡轮喷气发动机相比,涡轮风扇发动机拥有推力大、噪音低、燃油消耗率低等特点,适用于时速1,000千米以下的飞机使用,适用面极广。因此无论是军用飞机还是民用飞机,都大量地使用了涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机作为动力来源。像平时出行所乘坐的支线、干线喷气式客机,装备的大多都是涡轮风扇发动机。
 
湾流G550装备两台劳斯莱斯BR710涡轮风扇发动机
 
涡轮螺旋桨发动机
 
    为了提高发动机效率,人们索性便抛去了涡轮风扇发动机的壳体,用巨大的螺旋桨代替了风扇,这便是涡轮螺旋桨发动机的由来。涡轮螺旋桨发动机主要由螺旋桨和燃气发生器构成。由于螺旋桨取代了原有的风扇,而螺旋桨的直径较大,因此转速要比涡轮风扇发动机低很多。此外,为使涡轮和螺旋桨的旋转速率都在正常的范围内工作,必须要在它们之间安装一个减速器。
 
涡轮螺旋桨发动机
 
    涡轮螺旋桨发动机在驱动原理上与活塞发动机的传统螺旋桨飞机类似,都是以螺旋桨所产生的推力作为前进的力量。涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨通常以恒定的速率运转,而以活塞运动为动力的螺旋桨会以发动机转速的不同而变化。和涡轮喷气发动机相比,涡轮螺旋桨发动机为了在废气中回收更多的能量,涡轮端的扇叶级数更多。
 
比亚乔P180使用的加拿大普惠公司PT6A-66B涡轮螺旋桨发动机,采用了推进的方式
 
    涡轮螺旋桨发动机受到螺旋桨效率的影响,不能做高速飞行,但在低速下条件下,效率和推力都高于涡轮风扇发动机。非常适合运输机、灭火飞机等大型飞机使用。
 
涡轮轴发动机
 
    涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机类似,都由无论风扇发动机改进而来。不过涡轮螺旋桨发动机将涡轮风扇发动机的风扇改为螺旋桨,而涡轮轴发动机将涡轮风扇发动机的风扇改为了旋翼(直升机的螺旋桨)。涡轮轴发动机和涡轮风扇发动机相比,安装了专为输出功率用的自由涡轮,并且尾喷口也可以向两侧或上下自由调节。
 
涡轮轴发动机
 
    涡轮轴发动机目前主要用于直升机,与旋翼一起,构成了直升机的动力装置。此外,涡轮轴发动机还影响着直升机旋翼的尺寸。虽然在理论上,同样的循环功率,所安装的旋翼越大,则产生的升力越大,但由于能量在转换过程中不可避免会有流失,因此旋翼直径也会被限制。—般情况下,通过旋翼的空气流量控制在通过涡轮轴发动机空气流量的500-1,000倍。
 
AW139在机舱顶部装有两台普·惠PT6C涡轮轴发动机
 
 
对于未来
 
    对于已经问世近80年的燃气涡轮发动机,已经在很多领域不能满足人类的需求,因此目前各国都在研发下一代发动机。比如冲压发动机,在低速时一般不能正常工作,但其具备超高音速飞行的能力,目前的最高时速已经接近10倍音速(大气层内)。再比如最近在做环球飞行的阳光动力2号,由于使用太阳能充电,使用的是小功率的电动机。除此之外,氢气发动机、醇类发动机等众多发动机也都在研制中。
 
装备新型发动机的客机想象图

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