航空發動機

航空發動機

航空發動機(航空發動機)

航空發動機（aero-engine），為航空器提供飛行所需動力的發動機。作為飛機的心臟，被譽為“工業之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。目前，世界上能夠獨立研制高性能航空發動機的國家只有美、英、法、俄等少數幾個國家，技術門檻很高。

航空發動機共有3種類型 活塞式航空發動機 是早期在飛機或直升機上應用的航空發動機，用于帶動螺旋槳或旋翼。大型活塞式航空發動機的功率可達2500千瓦。后來為功率大、高速性能好的燃氣渦輪發動機所取代。但小功率的活塞式航空發動機仍廣泛地用于輕型飛機、直升機及超輕型飛機。 燃氣渦輪發動機 這種發動機應用最廣。包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機，都具有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪。渦輪螺旋槳發動機主要用于時速小于800千米的飛機；渦輪軸發動機主要用作直升機的動力；渦輪風扇發動機主要用于速度更高的飛機；渦輪噴氣發動機主要用于超聲速飛機。 沖壓發動機 其特點是無壓氣機和燃氣渦輪，進入燃燒室的空氣利用高速飛行時的沖壓作用增壓。它構造簡單、推力大，特別適用于高速高空飛行。由于不能自行起動和低速下性能欠佳，限制了應用范圍，僅用在導彈和空中發射的靶彈上。 其他 上述發動機均由大氣中吸取空氣作為燃料燃燒的氧化劑，故又稱吸空氣發動機。其他還有火箭發動機、脈沖發動機和航空電動機。火箭發動機的推進劑（氧化劑和燃燒劑）全部由自身攜帶，燃料消耗太大，不適于長時間工作，一般作為運載火箭的發動機，在飛機上僅用于短時間加速（如起動加速器）。脈沖發動機主要用于低速靶機和航空模型飛機。由太陽電池驅動的航空電動機僅用于輕型飛機，尚處在試驗階段。

活塞式發動機時期 早期液冷發動機居主導地位。19世紀末，在內燃機開始用于汽車的同時，人們即聯想到把內燃機用到飛機上去作為飛機飛行的動力源，并著手這方面的試驗。 1903年，美國萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這臺發動機只發出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續、穩定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。 在飛機用于戰爭目的的推動下，航空特別是在歐洲開始蓬勃發展，法國在當時處于領先地位。美國雖然發明了動力飛機并且制造了第一架軍用飛機，但在參戰時連一架可用的新式飛機都沒有。在前線的美國航空中隊的6287架飛機中有4791架是法國飛機，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發動機的"斯佩德"戰斗機。這種發動機的功率已達130~220kW, 推重比為0.7kW/daN左右。飛機速度超過200km/h，升限6650m。 當時，飛機的飛行速度還比較小，氣冷發動機冷卻困難。為了冷卻，發動機裸露在外，阻力又較大。因此，大多數飛機特別是戰斗機采用的是液冷式發動機。期間，1908年由法國塞甘兄弟發明旋轉汽缸氣冷星型發動機曾風行一時。這種曲軸固定而汽缸旋轉的發動機終因功率的增大受到限制，在固定汽缸的氣冷星型發動機的冷卻問題解決之后退出了歷史舞臺。 在兩次世界大戰之間，在活塞式發動機領域出現幾項重要的發明：發動機整流罩既減小了飛機阻力，又解決了氣冷發動機的冷卻困難問題，甚至可以的設計兩排或四排汽缸的發動機，為增加功率創造了條件；廢氣渦輪增壓器提高了高空條件下的進氣壓力，改善了發動機的高空性能；變距螺旋槳可增加螺旋槳的效率和發動機的功率輸出；內充金屬鈉的冷卻排氣門解決了排氣門的過熱問題；向汽缸內噴水和甲醇的混合液可在短時內增加功率三分之一；高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸內燃燒前壓力由2~3逐步增加到5~6，甚至8~9，既提高了升功率，又降低了耗油率。 從20世紀20年代中期開始，氣冷發動機發展迅速，但液冷發動機仍有一席之地在此期間，在整流罩解決了阻力和冷卻問題后，氣冷星型發動機由于有剛性大，重量輕，可靠性、維修性和生存性好，功率增長潛力大等優點而得到迅速發展,并開始在大型轟炸機、運輸機和對地攻擊機上取代液冷發動機。在20世紀20年代中期，美國萊特公司和普·惠公司先后發展出單排的"旋風"和"颶風"以及"黃蜂"和"大黃蜂"發動機，最大功率超過400kW，功重比超過1kW/daN。到第二次世界大戰爆發時，由于雙排氣冷星型發動機的研制成功，發動機功率已提高到600~820kW。此時，螺旋槳戰斗機的飛行速度已超過500km/h，飛行高度達10000m。 在第二次世紀大戰期間，氣冷星型發動機繼續向大功率方向發展。其中比較著名的有普·惠公司的雙排"雙黃蜂"（(R-2800)和四排"巨黃蜂"(R-4360)。前者在1939年7月1日定型，開始時功率為1230kW, 共發展出5個系列幾十個改型，最后功率達到2088kW，用于大量的軍民用飛機和直升機。單單為P-47戰斗機就生產了24000臺R-2800發動機，其中P-47 J的最大速度達805km/h。雖然有爭議，但據說這是第二次世界大戰中飛得最快的戰斗機。這種發動機在航空史上占有特殊的地位。在航空博物館或航空展覽會上，R-2800總是放置在中央位置。甚至有的航空史書上說，如果沒有R-2800發動機，在第二次世界大戰中盟國的取勝要困難得多。后者有四排28個汽缸，排量為71.5L，功率為2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式發動機，用于一些大型轟炸機和運輸機。1941年，圍繞六臺R-4360發動機設計的B-36轟炸機是少數推進式飛機之一，但未投入使用。 萊特公司的R-2600和R-3350發動機也是很有名的雙排氣冷星型發動機。前者在1939推出，功率為1120kW，用于第一架載買票旅客飛越大西洋的波音公司"快帆"314型四發水上飛機以及一些較小的魚雷機、轟炸機和攻擊機。后者在1941年投入使用，開始時功率為2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡壘"戰略轟炸機。R-3350在戰后發展出一種重要改型--渦輪組合發動機。發動機的排氣驅動三個沿周向均布的廢氣渦輪，每個渦輪在最大狀態下可發出150kW的功率。這樣，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低達0.23kg/(kW·h)。1946年9月，裝兩臺R-3350渦輪組合發動機的P2V1"海王星"飛機創造了18090km的空中不加油的飛行距離世界紀錄。液冷發動機與氣冷發動機之間的競爭在第二次世界大戰中仍在繼續。液冷發動機雖然有許多缺點，但它的迎風面積小，對高速戰斗機特別有利。而且，戰斗機的飛行高度高，受地面火力的威脅小，液冷發動機易損的弱點不突出。所以，它在許多戰斗機上得到應用。例如，美國在這次大戰中生產量最大的5種戰斗機中有4種采用液冷發動機。其中，值得一提的是英國羅-羅公司的梅林發動機。它在1935年11月在"颶風"戰斗機上首次飛行時，功率達到708kW；1936年在"噴火"戰斗機上飛行時，功率提高到783kW。 這兩種飛機都是第二次世界大戰期間有名的.戰斗機，速度分別達到624km/h和750km/h。梅林發動機的功率在戰爭末期達到1238kW，甚至創造過1491kW的紀錄。美國派克公司按專利生產了梅林發動機，用于改裝P-51"野馬"戰斗機，使一種平常的飛機變成戰時最優秀的戰斗機。"野馬"戰斗機采用一種不常見的五葉螺旋槳，安裝梅林發動機后，最大速度達到760km/h，飛行高度為15000m。除具有當時最快的速度外，"野馬"戰斗機的另一個突出的優點是有驚人的遠航能力，它可以把盟軍的轟炸機一直護送到柏林。到戰爭結束時，"野馬"戰斗機在空戰中共擊落敵機4950架，居歐洲戰場的首位。而在遠東和太平洋戰場上，則是由于裝備了氣冷發動機的F6F"地獄貓"戰斗機的參戰，才結束了日本"零"式戰斗機的霸主地位。航空史學界把"野馬"飛機看作螺旋槳戰斗機的頂峰之作。 在第二次世界大戰開始之后和戰后的最主要的技術進展有直接注油、渦輪組合發動機和低壓點火。 在兩次世界大戰的推動下，發動機的性能提高很快，單機功率從不到10 kW增加到2500 kW左右，功率重量比從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時延長到2000~3000h。到第二次世界大戰結束時，活塞式發動機已經發展得相當成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000 m。可以說，活塞式發動機已經達到其發展的頂峰。 噴氣時代的活塞式發動機 在第二次世界大戰結束后，由于渦輪噴氣發動機的發明而開創了噴氣時代，活塞式發動機逐步退出主要航空領域，但功率小于370 kW的水平對缸活塞式發動機發動機仍廣泛應用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機，旋轉活塞發動機在無人機上嶄露頭角，而且美國NASA還正在發展用航空煤油的新型二沖程柴油機供下一代小型通用飛機使用。 美國NASA已經實施了一項通用航空推進計劃，為未來安全舒適、操作簡便和價格低廉的通用輕型飛機提供動力技術。這種輕型飛機大致是4~6座的，飛行速度在365 km/h左右。一個方案是用渦輪風扇發動機，用它的飛機稍大，有6個座位，速度偏高。另一個方案是用狄塞爾循環活塞式發動機，用它的飛機有4個座位，速度偏低。對發動機的要求為： 功率為150 kW； 耗油率0.22 kg/(kW·h)； 滿足未來的排放要求； 制造和維修成本降低一半。到2000年，該計劃已經進行了500h以上的發動機地面試驗，功率達到130 kW，耗油率0.23 kg/(kW·h)。 燃氣渦輪發動機時期 第二個時期從第二次世界大戰結束至今。60年來，航空燃氣渦輪發動機取代了活塞式發動機，開創了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術發展的推動下（見表1），渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、槳扇發動機和渦輪軸發動機在不同時期在不同的飛行領域內發揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的臺階。 渦噴/渦扇發動機 英國的惠特爾和德國的奧海因分別在1937年7月14日和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發動機WU和HeS3B。前者推力為530daN，但1941年5月15日首次試飛的格羅斯特公司E28/39飛機裝的是其改進型W1B，推力為540daN，推重比2.20。后者推力為490daN，推重比1.38，于1939年8月27日率先裝在亨克爾公司的He-178飛機上試飛成功。這是世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機，開創了噴氣推進新時代和航空事業的新紀元。 世界上第一臺實用的渦輪噴氣發動機是德國的尤莫-004，1940年10月開始臺...

世界三大航空發動機生產商分別是美國通用電氣、英國羅爾斯·羅伊斯和美國普拉特·惠特尼。 通用電氣，英文簡寫GE，是世界上最大的綜合性動力和設備制造商，像世界上單臺引擎推力最強的民航發動機GE90、最優越的民用引擎CF6-80C/E、最強大的渦輪軸發動機CT7-8系列都是GE的杰作，使用廣泛的波音737使用的CFM56發動機也是GE牽頭研發的； 羅爾斯·羅伊斯，也叫勞斯萊斯，英文簡寫RR，是渦扇發動機領域里僅次于GE的品牌，英國主導的國際型企業。它的發動機市場占有率與GE相當，最有名的當屬RB-211型發動機，其余包括像波音787使用的低噪音發動機“遄達”1000系列、空客A380使用的Trent 900發動機，世界上噪音最小的客機產品A330/340系列使用的“遄達”500/700系列都是RR的杰作，號稱世界最先進中型直升機的AW101使用的RTM332也是RR的產品；大有超越GE的優勢。 普拉特·惠特尼，簡稱普·惠，英文簡寫PW，是世界知名的軍用渦槳/渦扇發動機制造商、直升機用渦輪軸發動機及民航制造商，其生產的發動機以軍用為主，例如F-15、F-16的標配動力之一F100就是PW的，同時F-22的標配動力F119也是pw的。目前世界上最領先的6噸級中型直升機AW139使用的發動機和我國武直-10目前使用的PT6C-67C都是PW的產品，中國最先進的支線客機新舟600的引擎也是普惠的技術

航空發動機行業具有高技術，高投入、高風險、高壁壘的特性。研發普通單臺發動機的投入在10-30億美元，時間周期10-15年。從60年代開始，全球主要制造商和供應商不超過25家，全球航空發動機制造主要集中在歐美發達國家的公司，美國的通用和普惠、法國的斯奈馬克和英國的羅羅是目前全球最大四家航空發動機巨頭。前瞻網統計數據顯示，2011年，全球航空發動機市場規模約750億美元。其中中國航空發動機市場產值僅為200億元人民幣(約合30.76億美元)。 而據相關統計數據，美國通用、美國普惠、法國斯奈馬克及英國的RR這四家航空發動機制造廠商占據全球 84%的市場份額，美國通用公司處于市場絕對老大地位，占有40%市場份額，其次是英國羅·羅公司，占據22%市場份額，法國斯奈馬克公司和美國普惠公司分別以13%和9%的市場份額分列三四位。 在世界航空發動機市場格局中，雖然中國的飛機發動機制造水平和市場份額均遠遠落后于歐美發達國家，中國航空工業快速發展，各種先進戰斗機不斷研制出來，如殲20隱形戰斗機成功試飛。但同時必須看到，我國航空發動機制造落后嚴重制約著各種新戰機裝備，長期依賴于國外航空發動機對中國的國家戰略安全形成巨大的威脅，航空發動機成為中國迫切需要解決的難題之一。 此外，相比歐美發達國家，我國在航空發動機預研上規劃和投入還存在較大的差距，歐美發達國家長期以來始終高度重視航空發動機技術的研究和發展，投入大量資金，通過連續不斷地實施先進航空發動機技術的研究與驗證計劃，為其占據當今世界航空發動機領域的領先地位奠定了堅實的基礎。 《2013-2017年中國航空發動機行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》統計數據顯示，2011年，中航發動機公司的航空產業營收約200億元，僅是國內年均千億航空發動機市場需求的1/5，未來仍有廣闊成長空間。從市場結構來看，中國生產的幾乎全部是戰斗機發動機，干支線運輸機，而相關的民用發動機市場空間廣闊，且尚未涉及。

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