航空发动机是一种用于产生推力以推动飞机前进的发动机装置。先进的飞机需要强大的心脏，飞机发动机是飞机的动力来源。航空发动机是一种非常复杂的高端机械，其工作条件具有“高温、高压、高速”的特点：工作温度高，内部温度不同且不断变化；气体压力大，工作负荷高；旋翼转速高，能承受环境和机动飞行对发动机的各种影响。航空发动机需要在严格的质量和体积限制的前提下产生强大的推力，长期可靠地工作，并且其性能可以灵活、精确地调节和控制，这对设计和制造工艺提出了很高的要求。因此，航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。航空发动机直接影响到飞机的性能、可靠性和经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。

当前位置航空发动机是飞机的动力源。自1903年问世以来，一百多年来，航空发动机经历了两大发展时期，从1903年到1945年为活塞发动机统治时期，1945年到现在是喷气发动机时代，未来还将有冲压发动机、爆震发动机出现。航空发动机作为飞机的核心部件，将在很大程度上影响飞机的发展。

目前使用的航空发动机按结构可分为活塞式发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡轴/涡喷发动机。活塞发动机属于内燃机，涡喷发动机、涡扇发动机和涡轴/螺旋桨发动机属于燃气轮机。

概述

活塞式发动机(活塞式发动机)属于内燃机的一种。通常是指利用活塞往复、输出轴做功为主的内燃机。组合式空气螺旋桨热效率高、体积小、重量轻，非常适合为飞机提供动力。

1903年12月17日，美国莱特兄弟实现了人类历史上第一次动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气的飞行器的飞行。这次飞行使用的发动机是一台四冲程直列水平活塞汽油发动机。在第一次世界大战中，活塞式发动机开始崭露头角，飞机开始在战争中承担侦察和作战功能。第二次世界大战是活塞发动机的主流时代，活塞发动机被广泛应用于航空领域。其中，最著名的恒星发动机是普惠R-2800双黄蜂发动机。这是一台双排18缸气冷星式航空发动机，至今仍被视为活塞式航空发动机的代表。

由于活塞式发动机的效率有限，结构不够灵活，无法达到声速。目前活塞式发动机仅用于小型低速通用飞机。

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航空发动机分类

]涡轮喷气发动机是涡轮喷气发动机(Turbo engine)，其特点是完全依靠燃烧后产生的高速空气产生推力。经过第一次和第二次世界大战的发展，活塞式发动机的应用已经达到了极限，为了追求更高的速度，人们提出了喷气发动机。涡轮喷气发动机属于轴流发动机，与活塞发动机有着完全不同的结构，在效率和方便性上都有重大突破。涡轮喷气发动机将人类带入了超音速时代。

1937年，英国科学家弗兰克惠特尔实现了世界上第一台喷气发动机的实验成功，从此涡喷发动机逐渐发展起来，并在20世纪40年代至50年代研制出第一代马赫数为1级的单旋翼发动机，并在20世纪50年代和60年代研制出马赫数为2至3级的双旋翼后力涡喷发动机。它已经完全取代活塞发动机成为飞机的主流动力。

涡轮喷气发动机的典型结构如图2-2所示。涡轮喷气发动机一般由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和喷管等部件组成，其中压气机、燃烧室和涡轮构成发动机的核心。涡轮喷气发动机的主要过程包括空气压缩、燃烧和涡轮工作都是在核心发动机中完成的。空气通过进气道进入发动机后，先经过压气机，再经过减速增压后进入燃烧室。高压空气与燃料混合，点火燃烧，形成高温气体。高温气体膨胀带动涡轮工作，涡轮的部分动力带动前面的压气机，大部分动力是通过喷口排出的气体产生的推力。现代战斗机在短时间内需要增加推力时，在涡轮后面加一个加力燃烧室注入燃油，使不完全燃烧的气体和注入的燃油混合再次燃烧，可将发动机推力提高到1.5倍左右。涡轮喷气发动机的优势在于高速性能，特别是高空高速性能。涡轮喷气发动机仍在大量飞机上使用，但它们不再更新。进入20世纪80年代后，涡喷发动机逐渐被气动效率更高、燃油效率更高、经济性更好的涡扇发动机所取代。

活塞发动机

涡扇发动机(Turbofan engine)，是目前军用战斗机和民航客机、货机的主流动力机械。涡扇发动机与涡喷发动机的核心发动机相同，大部分结构相似。涡扇发动机由安装在压气机前面的一个或多个级风扇组成。产生的外部气流和从内部喷嘴排出的气体一起产生推力的一种燃气涡轮发动机。

有两种典型的涡扇：大涵道比涡扇和小涵道比涡扇。大型涵洞在外观上比涡扇发动机更厚，这意味着第一级叶片更大，更多的空气通过外部涵洞。大涵道比涡扇发动机主要用于民用飞机、运输机和其他不需要机动性的飞机。由于其油耗相对较低，经济性好，安全性高，是目前民用飞机的最佳动力源。CFM56是CFM国际公司生产的大涵道比涡扇发动机。CFM已在波音737、空客A320、空客A340-200等飞机上生产和使用了2万多台，每天有超过300万人次乘坐CFM提供动力的飞机。CFM-56是世界上使用最广泛的涡扇发动机之一。

小涵道比涡扇发动机在外形上与涡喷发动机相似，主要是因为外涵道比较小，兼顾了经济性和发动机的机动性，所以在军用飞机上得到了广泛的应用。普惠F119是F22的后扇发动机，是当今服役的最先进的发动机之一。

目前涡扇发动机的两个发展方向是低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机。在未来几十年里，涡扇发动机仍将是飞机的主要动力。

涡喷发动机

涡轮轴和涡轮轴发动机的特点是将全部输出功率传递到输出轴上，通过“轴”传递动力。

涡轴发动机(Turboshaft engine)，主要用于直升机，通过输出轴带动螺旋桨旋转，为飞机提供动力。从20世纪50年代开始，涡轮轴发动机开始在直升机上使用，到60年代，在短短的十年间，涡轮轴发动机以其重量轻、体积小、启动方便、功率大等诸多优点彻底击败了活塞式发动机，几乎安装在所有2000kW以上的新研制直升机上。涡轮轴发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、内部减速装置、传动装置和排气通道组成。典型结构如图2-5所示。

由于涡轮轴发动机的输出功率全部集中在轴上，几乎没有喷射动力，所以用在坦克和舰船上。

涡轮螺旋桨发动机，或涡轮螺旋桨发动机，实际上是在涡轮喷气发动机的基础上增加了两个额外的部件：一个螺旋桨和一组减速齿轮。涡桨发动机主要靠螺旋桨产生的拉力(推力)来驱动，而射流产生的推力很小，仅占螺旋桨的九分之一左右。

涡轮喷气发动机可以看作是无限涵道比的涡扇发动机，具有效率高、油耗低、中低空动力性能好等优点。然而，使用涡轮螺旋桨发动机的飞机通常比使用涡轮风扇发动机的飞机速度低。造成发动机转速过高会造成叶片端部转速过高，有产生激波的可能。因此，发动机转速不宜过快。目前，涡喷发动机主要用于远程轰炸机、运输机等机动性要求较低的军用飞机、中小型客机以及水上飞机等通用飞机。

目前可以验证的变循环发动机有两种。在20世纪60年代为SR-71黑鸟超音速战斗机提供动力的普惠J-58发动机是世界上第一个实用的可变循环发动机。其结构如图3-2所示。该发动机以涡喷发动机为基础，在涡喷发动机进气道前方安装了冲压装置。当黑鸟低速飞行时，发动机以涡轮喷气发动机的形式工作。高速飞行时，当速度达到3马赫时，内排气阀打开，压气机内的一部分气流通过内排气阀进入涡轮旁通通道，直接进入加力燃烧室，发动机在压气机辅助冲压发动机中工作。歼-58变循环的原理并不太复杂，后来问世的另一款发动机将涡喷和涡扇完美结合。20世纪80年代，美国通用电气(GE)公司考虑到亚音速状态的节油特性和超声速涡喷发动机的高速特性，设计了YF-120发动机。YF-120的经典设计图如图3-3所示。通用电气设计的YF-120发动机为美国的F-22提供动力，但由于当时技术太“先进”，它输给了普惠公司的F-119。然而，YF-120的设计思想是未来变循环发动机发展的基础。

虽然看起来变循环发动机是通过一些简单的内部结构变化来实现变循环的功能，但实际上要做到这一点是极其困难的。飞机发动机在高温、高压和极高速度下工作。此时，如果出现结构变化，发动机部件就容易损坏，造成安全问题。挡板的偏移也会带来气流的瞬时畸变，导致发动机运转不稳定，甚至停机。变循环发动机的发展还有很长的路要走。

进入21世纪，特别是近十年来，美军认为更先进的变循环发动机——自适应变循环发动机(Adaptive variable cycle engine)是关键的发展方向。目前，美国正在研制采用第三道涵的自适应发动机，其特点是第三道涵的气流温度较低，可以用来提取更多的动力，实现更好的热管理，减少安装阻力，提高进气总压力恢复，降低排气温度，减少红外信号。

2014年7月，通用电气在其俄亥俄州实验室发布了一款新型发动机ADVENT原型机的演示，表明该公司已经初步实现了自适应变循环技术。自适应变循环发动机既能满足未来军用和民用飞机的长航时、远程、高速、隐身的要求，又能满足低油耗、远程的民用客机和货机的动力需求，是当前世界航空发动机领域的发展重点，有可能取代涡扇发动机成为未来军用和民用飞机的主流动力。

[010 . 1010]冲压发动机(Ramjet)是一种利用高速迎面气流进入发动机并减速增压空气的航空发动机。对于涡喷发动机、涡扇发动机和涡轴/螺旋桨发动机来说，它们都是燃气轮机。其工作原理要求压缩机对空气进行减速加压，从而使压缩空气具有更高的燃烧效率。另一方面，飞机飞得越快，迎面而来的空气就越快，当它的速度达到声速的几倍时，空气就自然被压缩了。所以不需要压缩机。高压空气进入燃烧室，与燃料混合，剧烈燃烧，并以高速向后喷射以获得动力。这就是冲压发动机的工作原理。冲压发动机不需要压气机，进气口和燃烧室是发动机的主要部件。相对而言，简化了冲压发动机的结构，提高了效率。

冲压发动机用于导弹和高超音速飞行器。它仍处于实验阶段，尚未在飞机上大规模使用。

涡扇发动机

爆震发动机或脉冲爆震发动机(PDE)是一种新型发动机，其结构与燃气轮机不同。它的特点是利用燃料爆轰产生的爆震波来实现压缩，并通过射流获得反作用力的新型热能。

爆轰燃烧产生的爆震波使爆炸性燃料的压力和温度迅速上升。因此，爆震内燃机无需传统的压气机即可达到压缩气体的目的，大大简化了发动机结构。当爆震频率很高(可达80 ~ 100Hz)时，可产生连续推力。PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激励器、供油喷射系统和控制系统组成。由于没有压缩机和涡轮，PDE结构简单，质量降低。综上所述，PDE具有结构简单、体积小(不超过2米)、重量轻、成本低、可在零转速下使用、燃烧效率高、高速性能优越等优点。

起爆发动机可以在吸气和火箭两种模式下工作。例如，在0到3马赫及更高马赫范围内，采用高效吸气推进，然后在脉冲爆轰火箭模式下运行。因此，有学者将脉冲爆轰发动机称为“梦想动力”。

当前世界三大航空发动机制造商分别是：美国通用电气公司(GE)、英国罗尔斯罗伊斯公司(Rolls-Royce)和英国普惠公司(PW)。

(1) GE公司

通用电气是航空发动机领域的老牌公司。在民用方面，CF6系列大涵道比民航发动机已装备于波音747、767、麦道DC-10、MD-11、空客A300、A310、A330等多架民用飞机。由GE和法国赛峰集团合资成立的CFM公司设计生产的CFM56涡扇发动机已广泛应用于波音737和空客A319/320/321上，成为迄今为止最成功的民用涡扇发动机之一。基于CFM-56的LEAP-X已成为下一代波音737MAX、空客A320neo和中国商飞C919的首选发动机。在军事方面，低涵道比F110在1985年初完成了生产和交付。F110发动机大量装备于美国的F-14、F-15/16战斗机。尽管通用电气近年来在最先进的两款战斗机F-22和F-35的发动机上败下阵来，但其积累的可变循环发动机技术将在下一轮竞争中脱颖而出。

(2) RR公司

RR于1906年在英国正式成立，最初的产品是汽车和航空发动机。在1971年债务损失导致公司破产后，英国政府进行干预，将公司一分为二，分为两家公司：汽车公司(劳斯莱斯)和航空发动机公司。其代表产品有70年代的“Spebe”发动机，80年代的“RB-211”发动机，90年代参与研制的“V2500”发动机。自21世纪初以来，Trent系列发动机一直是RR最强大、性能最好的大涵道比民用涡扇发动机。RR的三转子涡扇发动机是其特色产品，目前RR正在大力发展大涵道比航空发动机的“超扇”技术。

(3) PW公司

普惠公司(Pratt & Whitney Corporation，简称PW)是一家拥有全球服务业务的美国航空航天制造商，是联合技术公司的子公司，总部位于康涅狄格州东哈特福德。PW公司的航空发动机广泛应用于民用和军用航空领域。该公司的主要产品包括波音777的PW4000发动机；F119发动机用于F-22猛禽战斗机，F135发动机用于F-35闪电战斗机。其中，F119和F135标志着世界航空发动机的最高水平。PW的新一代发动机是“纯动力”系列，其主要技术重点是齿轮涡轮风扇(GTF)技术。

(4)其他公司

此外，法国的斯奈克玛公司、俄罗斯的“柳卡-土星”公司也是世界上最大的航空发动机制造商。联合技术公司(UTC)、国际航空发动机公司(IAE)和CFM等合资企业也是航空发动机的主要制造商。

航空发动机工业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现，也是国家安全和大国地位的重要战略保障。航空发动机具有研制周期长、技术难度大、资金成本高等特点，当今世界上能够自主研制航空发动机并形成产业规模的国家只有中国、美国、俄罗斯、英国、法国等五个国家，其中军用航空发动机以美、俄、英为主。航空发动机工业的发展还有很长的路要走。

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涡轴和涡浆发动机

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