節(jié)選自up本學期航空發(fā)動機原理課第一次大作業(yè)《航空燃氣渦輪發(fā)動機發(fā)展調(diào)研報告》。點贊加關(guān)注給up狠狠地 注 入 動力，為大家產(chǎn)出更多精(shui)彩(bi)的作品。

1. 渦噴發(fā)動機和小涵道比渦扇發(fā)動機

渦噴發(fā)動機一般由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪以及尾噴管等部件組成，其中壓氣機、燃燒室、渦輪合稱為核心機。空氣經(jīng)進氣道進入發(fā)動機，經(jīng)過壓氣機加壓后進入燃燒室與燃料摻混，點火燃燒形成高溫燃氣，膨脹推動渦輪做功、帶動壓氣機，經(jīng)過渦輪后的燃氣通過尾噴管排出而產(chǎn)生推力。

渦噴發(fā)動機工作時高速噴出燃氣，燃氣直接散溢造成巨大的能量損失，因此渦噴發(fā)動機的經(jīng)濟性差、油耗高。當前渦噴發(fā)動機主要應(yīng)用需要高空高速性能的場合，如高空無人機、靶機和導彈等領(lǐng)域。

渦扇發(fā)動機在渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加了風扇和低壓渦輪。流經(jīng)風扇的空氣分為兩股：外股直接排出；內(nèi)股氣流與渦噴發(fā)動機一樣經(jīng)過壓氣機、燃燒室和渦輪后由噴管排出。外股與內(nèi)股氣流的流量之比稱為涵道比。小涵道比加力渦扇發(fā)動機巡航油耗低、最大速度高，適合作為戰(zhàn)斗機動力。

戰(zhàn)斗機等軍機用燃氣渦輪發(fā)動機以推重比為主要指標大致可分五代（表1）。[1,2]

世界上第一臺實用的渦輪噴氣發(fā)動機是德國的Jumo-004，1940年10月開始臺架試車，1941年12月推力達到9.8kN，1942年7月18日裝在Me-262飛機上試飛成功。20世紀50年代初，加力燃燒室的采用使發(fā)動機在短時間內(nèi)能夠大幅度提高推力，為飛機突破聲障提供足夠的推力。典型的發(fā)動機有美國的J57和蘇聯(lián)的RD-9B，它們的加力推力分別為70kN和32.5kN，推重比分別為3.5和4.5。它們分別裝備在超聲速的單發(fā)戰(zhàn)斗機F-100和雙發(fā)戰(zhàn)斗機米格-19上。在50年代末和60年代初，各國研制了適合馬赫數(shù)2以上飛機的一批渦噴發(fā)動機，如J75、J79、阿塔9C、R-11和R-13等，推重比已達5~6。在60年代中期還發(fā)展出用于馬赫數(shù)3一級飛機的J58和R-31渦噴發(fā)動機。到70年代初，用于“協(xié)和”超聲速客機的Olympus 593渦噴發(fā)動機定型，最大推力達到170 kN。從此再沒有重要的渦噴發(fā)動機問世。

20世紀60年代，美、英在民用渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上研制出了TF-30和斯貝MK202，分別用于F-111戰(zhàn)斗轟炸機和英國購買的“鬼怪”YF-4M/K戰(zhàn)斗機。它們的推重比與同時期的渦噴發(fā)動機差不多，但中間耗油率低，使得飛機航程大大增加。在70~80年代，各國相繼研制出推重比8一級的渦扇發(fā)動機，美國的F100、F404、F110，前蘇聯(lián)的AL-31F、RD-33和西歐三國的RB199。它們被裝備在F-15、F-16、F-18、蘇-27、米格-29和“狂風”等戰(zhàn)斗機上。目前，推重比10一級的渦扇發(fā)動機已投入使用，它們包括美國的F119、F135，俄羅斯的117S，中國的渦扇15和西歐的EJ2000等。其中，裝備F119的F-22飛機具有第五代戰(zhàn)斗機代表性特征——超聲速巡航、短距起落、超機動性和隱身能力；超聲速垂直起飛短距著陸的JSF動力裝置F135使得F-35B戰(zhàn)斗機具備垂直起降能力。

2. 大涵道比渦扇發(fā)動機

大涵道比渦扇發(fā)動機具有耗油率低、噪聲小的特點，廣泛應(yīng)用于大型民用客機、軍民用運輸機。大涵道比渦扇發(fā)動機采用“三高”循環(huán)參數(shù)設(shè)計，即高涵道比、高總增壓比和高渦輪前溫度。按照發(fā)動機所采用的循環(huán)參數(shù)與設(shè)計技術(shù)，大涵道比渦扇發(fā)動機大致可分為四代（表2）。[3]

當前，第三代大涵道比渦扇發(fā)動機是民用客機、軍民用運輸機主力，四代發(fā)動機正在進入市場。目前在國際市場上，大型飛機發(fā)動機的研制主要依賴GE、PW和R&R三大公司，各公司發(fā)動機系列化發(fā)展，已形成壟斷格局，推力范圍覆蓋了100~500KN；而俄羅斯研制的大涵道比渦扇發(fā)動機主要配裝本國生產(chǎn)的大型飛機。

3. 渦槳、渦軸和槳扇發(fā)動機

渦槳發(fā)動機的驅(qū)動原理與活塞式發(fā)動機基本相同，是以螺旋槳旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的力量來作為飛機前進的推進力，結(jié)合了渦噴功率大和螺旋槳推進效率高的優(yōu)點。

1942年,英國開始研制世界上第一臺渦槳發(fā)動機“曼巴”。此后，美、英和前蘇聯(lián)陸續(xù)研制出多種渦槳發(fā)動機，如T56、AI-20和AI-24。這些渦槳發(fā)動機的耗耗油率低、經(jīng)濟性好、起飛推力大，主要裝備于運輸機和轟炸機。美國在1956年服役的渦槳發(fā)動機 T56/501用于C-130運輸機、P3-C偵察機和E-2C預警機，它的功率范圍為2580~4414kW，有多個軍民用系列，共生產(chǎn)了17000多臺、出口到80多個國家和地區(qū)，至今還在生產(chǎn)，是世界上生產(chǎn)數(shù)量最多的渦槳發(fā)動機之一。前蘇聯(lián)的HK-12M的最大功率達11 000kW，用于圖-95轟炸機、安-22軍用運輸機和圖-114民用運輸機。因螺旋槳在吸收功率、尺寸和飛行速度方面的限制，渦槳發(fā)動機在大型遠程運輸機上逐步被渦扇發(fā)動機所取代，但在中小型運輸機和通用飛機上仍有廣泛用途。

渦軸發(fā)動機是直升機最主要的動力，其工作原理與渦槳發(fā)動機類似，燃氣流經(jīng)驅(qū)動壓氣機的渦輪后，再流經(jīng)一個驅(qū)動減速器的自由渦輪，最后從尾噴管中噴出，減速器的輸出軸與傳動直升機旋翼的主減速器相連，驅(qū)動旋翼的旋轉(zhuǎn)。渦軸發(fā)動機具有功重比高、油耗低等特點。

渦軸發(fā)動機經(jīng)過不斷改進改型和更新?lián)Q代，已成功研制到第四代并開始陸續(xù)投入使用（表3）。[1,4-6]?目前，直升機市場上普遍采用的是第三代渦軸發(fā)動機，少數(shù)直升機采用第四代渦軸發(fā)動機。

槳扇發(fā)動機既可看作帶先進高速螺旋槳的渦輪螺旋槳發(fā)動機，又可看作除去外涵道的超高涵道比渦輪風扇發(fā)動機，結(jié)合了渦輪螺旋槳發(fā)動機耗油率低和渦輪風扇發(fā)動機飛行速度高的優(yōu)點，其有效涵道比為15~20。槳扇發(fā)動機克服了一般螺旋槳在飛行馬赫數(shù)到達0.65后效率就急劇下降的缺點，而使推進效率較高的優(yōu)越性保持到飛行馬赫數(shù)0.8左右。

在20 世紀80年代后期，掀起了一陣性能上介于渦槳發(fā)動機和渦扇發(fā)動機之間的槳扇發(fā)動機熱潮。一些著名的發(fā)動機公司都在不同程度上進行了預研和試驗，其中通用電氣公司的無涵道風扇GE36曾進行了飛行試驗。但由于槳扇發(fā)動機噪聲、振動及減速器性能差，特別是沒有外涵機匣，使用安全性沒有保證等問題未能得到很好的解決，槳扇發(fā)動機尚未被廣泛采用，只有俄羅斯和烏克蘭的安-70/D-27進入工程研制并計劃生產(chǎn)裝備部隊。但因飛機技術(shù)老化、發(fā)動機噪聲不符合歐洲標準和試驗中發(fā)生的問題較多，俄烏雙方均做出放棄裝備該機的決定。

4. 航空發(fā)動機改艦用燃氣輪機

艦用燃氣輪機應(yīng)該基于現(xiàn)有航空發(fā)動機改型設(shè)計還是需要重新設(shè)計已爭論已久，經(jīng)過反復實踐終于得出了明確的結(jié)論，即應(yīng)當走航空發(fā)動機艦用化改裝的道路。隨著長壽命、低油耗和大功率的航空發(fā)動機的不斷涌現(xiàn)，航空發(fā)動機技術(shù)也相繼成熟并可批量生產(chǎn)和長期使用，為艦用化改裝創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。此外，航空發(fā)動機艦用化改裝技術(shù)水平不斷提高，可充分滿足現(xiàn)代艦船對燃氣輪機動力的各項要求。[7]

英國從 20 世紀 40 年代初期開始就從事航空發(fā)動機艦用化的改裝研究。例如，由航空發(fā)動機改裝的G1型艦用燃氣輪機取得了一定成功，并在裝艇試用期內(nèi)有著較好的效果，從而開創(chuàng)了燃氣輪機在艦船上應(yīng)用的紀元，但是油耗過高，大修期過短，且無法解決部分工況的運行問題，因此研制了專用的燃氣輪機。由于此類機型結(jié)構(gòu)復雜，操作不便，生產(chǎn)成本高，并未得到進一步發(fā)展。直到20世紀60年代，人們再次將研發(fā)重心調(diào)整到航空發(fā)動機的艦用化改裝工作上來，出現(xiàn)了海神和奧林普斯兩種艦用燃氣輪機。

美國曾于20世紀40年代起開始研制艦用燃氣輪機，主要是發(fā)展小型非戰(zhàn)斗艦船的動力裝置。在引進英國海神艦用燃氣輪機的同時，它加強了航空發(fā)動機艦用化改裝的研制工作，并取得了一些進展，但主要用于高速炮艇、反潛水翼艇和海岸警備艦。直到后來艦用燃氣輪機才有了明顯進展，并在各種水面艦船上得以大量使用。

前蘇聯(lián)在第二次世界大戰(zhàn)以后開始研制艦用燃氣輪機，并于 20 世紀 50 年代初期裝艇使用。M1型艦用燃氣輪機是在P-20航空發(fā)動機的基礎(chǔ)上進行艦用化改裝。在M1型艦用燃氣輪機的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，發(fā)展成M2型艦用燃氣輪機，提高了功率，降低了耗油率。1957年，艦隊技術(shù)委員會的決議規(guī)定，鑒于常規(guī)汽輪機裝置已不能滿足現(xiàn)代艦船對動力的要求，必須發(fā)展核動力和艦用燃氣輪機。

目前，業(yè)界普遍認為航空發(fā)動機的艦用化改裝時間少、費用低且技術(shù)成熟可行。因此，西方發(fā)達國家?guī)缀鯚o例外地采用由航空發(fā)動機改型的輕型燃氣輪機作為艦船的動力裝置，而各航空發(fā)動機制造公司也幾乎無例外地將成熟的航空發(fā)動機改裝設(shè)計成為工業(yè)和艦用燃氣輪機，使業(yè)界普遍認為航空燃氣輪機的發(fā)展可促進整個燃氣輪機工業(yè)的迅速發(fā)展。

著名的美國通用動力LM2500艦用燃氣輪機就是CF6-50航空發(fā)動機的航改機型。中國也曾引進LM-2500燃氣輪機，裝載在052型驅(qū)逐艦“哈爾濱”艦上（圖1），該艦在海軍中獲得廣泛好評，曾被冠以“中華第一艦”之稱。

參考文獻

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