涡喷发动机.doc

飞行原理（HowAndWhy） 升力原理： 飞机是比空气重的飞行器，因此需要消耗自身动力来获得升力。而升力的来源是飞行中空气对机翼的作用。 在下面这幅图里，有一个机翼的剖面示意图。机翼的上表面是弯曲的，下表面是平坦的，因此在机翼与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间(T)内走过的路程(S1)比流过下表面的空气的路程(S2)远，所以在上表面的空气的相对速度比下表面的空气快(V1=S1/T V2=S2/T1)。根据帕奴利定理“流体对周围的物质产生的压力与流体的相对速度成反比。”，因此上表面的空气施加给机翼的压力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上，这就产生了升力。 从机翼的原理，我们也就可以理解螺旋桨的工作原理。螺旋桨就好像一个竖放的机翼，凸起面向前，平滑面向后。旋转时压力的合力向前，推动螺旋桨向前，从而带动飞机向前。当然螺旋桨并不是简单的凸起平滑，而有着复杂的曲面结构。老式螺旋桨是固定的外形，而后期设计则采用了可以改变的相对角度等设计，改善螺旋桨性能。 飞行需要动力，使飞机前进，更重要的是使飞机获得升力。早期飞机通常使用活塞发动机作为动力，又以四冲程活塞发动机为主。这类发动机的原理如图，主要为吸入空气，与燃油混合后点燃膨胀，驱动活塞往复运动，再转化为驱动轴的旋转输出：单单一个活塞发动机发出的功率非常有限，因此人们将多个活塞发动机并联在一起，组成星型或V型活塞发动机。下图为典型的星型活塞发动机。现代高速飞机多数使用喷气式发动机，原理是将空气吸入，与燃油混合，点火，爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。下图的发动机剖面图里，一个个压气风扇从进气口中吸入空气，并且一级一级的压缩空气，使空气更好的参与燃烧。风扇后面橙红色的空腔是燃烧室，空气和油料的混和气体在这里被点燃，燃烧膨胀向后喷出，推动最后两个风扇旋转，最后排出发动机外。而最后两个风扇和前面的压气风扇安装在同一条中轴上，因此会带动压气风扇继续吸入空气，从而完成了一个工作循环 涡轮喷气发动机 这类发动机的原理基本与上面提到的喷气原理相同，具有加速快、设计简便等优点。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。涡轮喷气发动机的诞生 二战以前，活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就，使得人类获得了挑战天空的能力。但到了三十年代末，航空技术的发展使得这一组合达到了极限。螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减。螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高。同时随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也会减小。 这促生了全新的喷气发动机推进体系。喷气发动机吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，对发动机产生反作用力，推动飞机向前飞行。 早在1913年，法国工程师雷恩洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，喷气推进只是一个空想。1930年，英国人弗兰克惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。11年后他设计的发动机首次飞行，从而成为了涡轮喷气发动机的鼻祖。 涡轮喷气发动机的原理 涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。 涡喷发动机属于热机，做功原则同样为：高压下输入能量，低压下释放能量。 工作时，发动机首先从进气道吸入空气。这一过程并不是简单的开个进气道即可，由于飞行速度是变化的，而压气机对进气速度有严格要求，因而进气道必需可以将进气速度控制在合适的范围。 压气机顾名思义，用于提高吸入的空气的的压力。压气机主要为扇叶形式，叶片转动对气流做功，使气流的压力、温度升高。 随后高压气流进入燃烧室。燃烧室的燃油喷嘴射出油料，与空气混合后点火，产生高温高压燃气，向后排出。 高温高压燃气向后流过高温涡轮，部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，驱动涡轮旋转。由于高温涡轮同压气机装在同一条轴上，因此也驱动压气机旋转，从而反复的压缩吸入的空气。 从高温涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从尾部喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，从而产生了对发动机的反作用推力，驱使飞机向前飞行。 涡轮喷气发动机的优缺点 这类发动机具有加速快、设计简便等优点，是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机吸入的空气一部分从外部管道(外涵道)后吹，一部分送入内涵道核心机(相当于一个纯涡喷发动机)。最前端的“风扇”作用类似螺旋桨，通过降低排气速度达到提高喷气发动机推进效率的目的。同时通过精确设计，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，同样解决了排气速度过快的问题，从而降低了发动机的油耗。由于该风扇设计要兼顾内外涵道的需要，因此难度远大于涡喷发动机。涡轮风扇喷气发动机的诞生 二战后，随着时间推移、技术更新，涡轮喷气发动机显得不足以满足新型飞机的动力需求。尤其是二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机，飞行速度要求达到高亚音速即可，耗油量要小，因此发动机效率要很高。涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求，使得上述机种的航程缩短。因此一段时期内出现了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。 实际上早在30年代起，带有外涵道的喷气发动机已经出现了一些粗糙的早期设计。40和50年代，早期涡扇发动机开始了试验。但由于对风扇叶片设计制造的要求非常高。因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。 50年代，美国的NACA(即NASA美国航空航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要的科研工作。55到56年研究成果转由通用电气公司(GE)继续深入发展。GE在1957年成功推出了CJ805-23型涡扇发动机，立即打破了超音速喷气发动机的大量纪录。但最早的实用化的涡扇发动机则是普拉特惠特尼(Pratt&Whitney)公司的JT3D涡扇发动机。实际上普惠公司启动涡扇研制项目要比GE晚，他们是在探听到GE在研制CJ805的机密后，匆忙加紧工作，抢先推出了了实用的JT3D。 1960年，罗尔斯罗伊斯公司的“康威”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用，成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。60年代洛克西德“三星”客机和波音747“珍宝”客机采用了罗罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机，标志着涡扇发动机的全面成熟。此后涡轮喷气发动机迅速的被西方民用航空工业抛弃。 波音707的军用型号之一，KC-135加油机。不加力式涡扇发动机实际上较为容易辨认，其外部有一直径很大的风扇外壳。涡轮风扇喷气发动机的原理 涡桨发动机的推力有限，同时影响飞机提高飞行速度。因此必需提高喷气发动机的效率。发动机的效率包括热效率和推进效率两个部分。提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比，就可以提高热效率。因为高温、高密度的气体包含的能量要大。但是，在飞行速度不变的条件下，提高涡轮前温度，自然会使排气速度加大。而流速快的气体在排出时动能损失大。因此，片面的加大热功率，即加大涡轮前温度，会导致推进效率的下降。要全面提高发动机效率，必需解决热效率和推进效率这一对矛盾。 涡轮风扇发动机的妙处，就在于既提高涡轮前温度，又不增加排气速度。涡扇发动机的结构，实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮，这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样，送进压气机(术语称“内涵道”)，另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)。因此，涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。这时，为提高热效率而提高涡轮前温度，可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，从而避免大幅增加排气速度。这样，热效率和推进效率取得了平衡，发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低，飞机航程变得更远。 加力式涡扇发动机 非加力式涡扇发动机冲压喷气发动机 此类发动机没有风扇等器件，完全靠高速飞行时产生的冲压效应压缩吸入的空气，点火、燃烧、后喷等原理。因此其优点为结构简单、体积小、推力大、加速快。缺点是需要外部能源进行启动(通常为火箭助推)，不适合循环使用。 冲压喷气发动机的诞生 早在1913年，法国工程师雷恩洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，只停留在纸面上。1928年，德国人保罗施米特开始设计冲压式喷气发动机。最初研制出的冲压发动机寿命短、振动大，根本无法在载人飞机上使用。 于是1934年时，施米特和G马德林提出了以冲压发动机为动力的“飞行炸弹”，于1939年完成了原型。后来这一设计就产生了纳粹德国的V-1巡航导弹。此外纳粹德国还曾试图将冲压喷气发动机用在战斗机上。1941年，特劳恩飞机实验所主任、物理学家欧根森格尔博士在吕内堡野外进行了该类型发动机的试验，但最终未能产生具有实用意义的发动机型号。 二战后冲压发动机得到了极大的发展，为多种的无人机、导弹等采用。 冲压喷气发动机的原理 冲压喷气发动机的核心在于“冲压”两字。 冲压发动机由进气道（也称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成，比涡轮喷气发动机简单得多。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程。这一过程不需要高速旋转的复杂的压气机，是冲压喷气发动机最大的优势所在。进气速度为3倍音速时，理论上可使空气压力提高37倍，效率很高。高速气流经扩张减速，气压和温度升高后，进入燃烧室与燃油混合燃烧。燃烧后温度为2000一2200，甚至更高，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。因此，冲压发动机的推力与进气速度有关。以3倍音速进气时，在地面产生的静推力可高达2OO千牛。 冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、高超音速三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料，采用扩散形进气道和收敛形喷管，飞行时增压比不超过1.89。马赫数小于O.5时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为亚音速6倍音速，用于超音速靶机和地对空导弹。高超音速冲压发动机使用碳氢燃料或液氢燃料，是一种新颖的发动机，飞行马赫数高达516。目前尚处于研制阶段。前两类发动机统称为亚音速冲压发动机，最后一种称为超音速冲压发动机。 冲压喷气发动机与其他推进方式结合后，衍生了多种有特色的发动机，如火箭/冲压组合发动机、整体式火箭冲压发动机等。下图为火箭/冲压组合发动机原理图 冲压喷气发动机的优缺点 冲压发动机的优势在于构造简单、重量轻、体积小、推重比大、成本低。简单的说就是一个带燃油喷嘴和和点火装置的筒子。因此常用于无人机、靶机、导弹等低成本或一次性的飞行器。同时由于推重比远大于其他类型的喷气发动机，非常适合驱动高超音速飞行器，如空天飞机、先进反舰导弹等。 但冲压发动机没有压气机，就不能在地面静止情况下启动，所以不适合作为普通飞机的动力装置。通常的解决方法是增加一个助推器，使飞行器获得一定的飞行速度，然后再启动冲压发动机。最常见的助推器为火箭发动机。此外也可由其他飞行器挂载仅装有冲压发动机的飞行器，飞行到一定速度后，再将仅用冲压发动机的飞行器投放。 涡轮轴发动机 涡轮轴发动机的诞生 涡轮轴发动机首次正式试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力，兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轮轴令直升机的发展更进一步。当时涡轮轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现，涡轮轴发动机逐渐被视为单独的一种喷气发动机。 在1950年时，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)涡轮轴发动机。该发动机只有一级离心式叶轮压气机，有两级涡轮的输出轴，功率达到了206千瓦(280轴马力)，成为世界上第一台实用的直升机涡轮轴发动机。首先装用这种发动机的是美国贝尔直升机公司生产的Bell47(编号为XH-13F)，1954年该机首飞。到了50年代中期，涡轮轴发动机开始为直升机设计者所大量采用。 涡轮轴发动机的原理 涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机相似，曾经被划入同一分类。它们都由涡轮喷气发动机演变而来，涡桨发动机驱动螺旋桨，涡轮轴发动机则驱动直升机的旋翼轴获得升力和气动控制力。当然涡轮轴发动机也有自己的特色：通常带有自由涡轮，而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。 涡轮轴发动机具有涡轮喷气发动机的大部分特点，也有着进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等基本组件。其特有的自由涡轮位于燃烧室后方，高能燃气对自由涡轮作功，通过传动轴、减速器等带动直升机的旋翼旋转，从而升空飞行。自由涡轮并不像其他涡轮那样要带动压气机，它专门用于输出功率，类似于汽轮机。做功后排出的燃气，经尾喷管喷出，能量已经不大，产生的推力很小，包含的推力大约仅占总推力的十分之一左右。因此，为了适应直升机机体结构的需要，涡轮轴发动机喷口可灵活安排，可以向上，向下或向两侧，而不一定要向后。尽管涡轮轴发动机内，带动压气机的燃气发生器涡轮与自由涡轮并不机械互联，但气动上有着密切联系。对这两种涡轮，在气体热能分配上，需要随飞行条件的改变而适当调整，从而取得发动机性能与直升机旋翼性能的最优组合。 参照涡轮风扇发动机理论，涡轮轴发动机带动的旋翼的直径应该越大越好。因为同一个的核心发动机，所配合的旋翼直径越大，在旋翼上所产生的升力就越大。但能量转换过程总是有损耗的，旋翼限于材料品质也不可能太大，所以旋翼的直径是有限制的。以目前的水平计算，旋翼驱动的空气流量一般是涡轮轴发动机内空气流量的500到1000倍。 直升机飞得没有固定翼飞机快，最大平飞速度通常在350千米/小时以下，因此涡轮轴发动机的进气口设计也较为灵活。通常把内流进气道设计为收敛形，驱使气流在收敛时加速流动，令流场更加均匀。进口唇边呈流线形，适合亚音速流线要求，避免气流分离，保证压气机的稳定工作。此外，由于直升机飞得离地面较近，一般必需去除进气中杂质，通常都有粒子分离器。粒子分离器可以与进气道设计成一体。分离器设计为一定螺旋形状，利用惯性力场，使进气中的砂粒因为质量较大，在弯道处获得较大的惯性力，被甩出主气流之外，通过分流排出进气道之外。 尽管涡轮轴发动机排气能量不高，但对于敌方红外探测装置来说仍然是相当客观的目标。发动机排气是直升机主要热辐射源之一。作战直升机必须减小自身热辐射强度，要采用红外抑制技术。一方面，要设法降低发动机外露热部件的表面温度，更重要的是，要将外界冷空气引入并混合到高温徘气热流中，从而降低温度，冲淡二氧化氯的浓度，降低红外特征。先进的红外抑制技术通常将排气装置、冷却空气道以及发动机的安装位置作为完整、有效的系统进行设计制造。 我们知道，压气机包括分为轴流式和离心式两种。轴流式压气机，面积小、流量大；离心式结构简单、工作较稳定。涡轮轴发动机从纯轴流式开始，发展了单级离心、双级离心到轴流与离心混装一起的组合式压气机，历经多次变革。目前涡轮轴发动机一般采用若干级轴流加一级离心构成组合压气机，兼有两者的优点。国产涡轴-6、涡轴-8发动机为1级轴流加1级离心构成的组合压气机；“黑鹰”直升机上的T700发动机采用5级轴流加1级离心压气机。压气机部件主要包括进气导流器、压气机转子、压气机静子及防喘装置等。压气机转子是一个高速旋转的组合件，轴流式转子叶片呈叶栅排列安装在工作叶轮周围，离心式转子叶片则呈辐射形状铸在叶轮外部。压气机静子由压气机壳体和静止叶片组成。转子旋转时，通过转子叶片迫使空气向后流动，不仅加速了空气，而且使空气受到压缩，转子叶片后面的空气压强大于前面的压强。气流离开转子叶片后，进入起扩压作用的静子叶片。在静子叶片的通道，空气流速降低、压强升高，得到进一步压缩。一个转子加一个静子称为一级。衡量空气经过压气机被压缩的程度，常用压缩后与压缩前的压强之比，即增压比来表示。 涡轮轴发动机的优缺点 直升机最初使用活塞式发动机，现在仍有大量采用。涡轮轴发动机与之相比，由于具有涡轮喷气发动机的特性，其功率大，重量轻，功率重量比一般在2.5以上。目前涡轮轴发动机可产生高达6000甚至10000马力的功率，活塞发动机几乎不能做到。涡轮轴发动机的耗油率虽然略高于活塞式发动机，但其使用的航空煤油要比活塞发动机用的汽油便宜。涡轮轴发动机的缺点主要在于，制造相对困难，初始成本也较高。此外，直升机旋翼的转速较低，涡轮轴发动机需要很重很大的减速齿轮系统进行传动，有时其重量竟占动力系统总重量一半以上。而活塞发动机本身转速较低，传动系统相对简单。对于一些普及型或超小型的直升机来说，使用活塞发动机仍然是较好的选择。变循环喷气发动机 从飞机/发动机设计理念可知，对于持续高马赫数飞行任务，需要高单位推力的涡喷循环。反之，如果任务强调低马赫数和长航程，就需要低耗油率的涡扇循环。当任务兼有超声速飞行和亚声速飞行或存在多设计点时，麻烦就出现了。为任务的某一部分设计的循环在飞行包线其他地方的性能就差。在燃油消耗几乎均分在超声速和亚声速飞行的混合任务中或在多工作点是必须的情况下，变循环发动机（VCE）显示出巨大的潜力。 变循环喷气发动机的原理 VCE是通过改变发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的燃气涡轮发动机。利用变循环改变发动机循环参数，如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比，可以使发动机在各种飞行和工作状态下都具有良好的性能。在涡喷/涡扇发动机方面，VCE研究的重点是改变涵道比: 在爬升、加速和超声速飞行时：发动机涵道比减小，以接近涡喷发动机的性能，以增大推力。 在起飞和亚声速飞行时：发动机涵道比增大，以涡扇发动机状态工作，降低耗油率和噪声。 变循环喷气发动机的发展历程 由于受超声速客机和大飞行包线多任务战斗机需求的驱动，早在20世纪60年代国外就开始VCE的研究。1971年，美国航宇局（NASA）开始实施超声速巡航研究（SCR）计划,该计划的头3年，发动机承包商从上百个方案中优选出能够满足亚声速和超声速飞行相互矛盾要求的两种VCE，即GEAE公司的双涵道发动机(DBE)和普惠公司的变流路控制发动机（VSCE）。为了将研究工作集中在这两种VCE上，NASA在1976年制定了单独的超声速推进技术研究计划。到1981年计划结束时，相对1971年的GE4（GE当时研制的一种超声速运输机用发动机），经验证的VCE的超声速巡航耗油率下降10%，跨声速耗油率有类似的改善，亚声速的耗油率改善达24%，而重量仅为GE4的75%。 VSCE具有常规外涵加力涡扇发动机的流路，但采用独特的主燃烧室控制程序，并广泛采用变转速和变几何的风扇、压气机以及变几何的主喷管和副喷管，以控制其工作时的涵道比。在亚声速巡航状态，外涵不开加力，发动机以一种常规分排中等涵道比（约1.5）涡扇发动机工作，因而具有比较好的亚声速巡航性能。起飞、加速和超声速巡航时，需要大的推力，因而打开外涵加力。起飞开加力时噪声增大，但因采用同心环反速度场喷管而得以降低。结果，起飞时的噪声相当于常规涡扇发动机的噪声水平。在超声速巡航时，通过提高涡轮前温度和变几何，加大高压转子转速，这样，涵道比减小，对加力的需求也减小，其耗油率接近设计良好的涡喷发动机。 1985年后，美国的VCE研究工作纳入NASA的高速推进研究计划（HSPR），DBE和VSCE两种方案继续得到发展。进入90年代后，美国、欧洲和日本又掀起研究超声速（M3）和高超声速客机推进系统的热潮。罗-罗公司提出可放气的VCE。法国斯奈克玛公司提出了中间风扇的MCV99VCE方案。 1989年，日本开始着手为期10年的超声速和高超声速推进系统研究计划（HYPR）,并于1999年完成，总投资约3亿美元。计划的目标是为超声速运输机和高速运输机的推进系统打下技术基础。通过研究和试验马赫数5的组合循环发动机(CCE)验证了其可行性。CCE由VCE(代号为HYPR-T)和以甲烷为燃料的冲压发动机组成。HYPR-T的方案与GE公司的DBE类似。 1996年12月到1997年2月，HYPR-T发动机的模拟高空试验在GE的模拟高空试验台上进行，模拟的速度为马赫数3，高度20700米。通过试验，成功地验证了发动机的适用性。在试验中，涡轮前温度达到1873K，涵道比从0.6成功地变化到0.9。通过改变低压涡轮导向器的角度，在高速高温状态下的推力增加15%。 VCE研究的另一个驱动力来自战斗机方面。 自20世纪60年代以来，战斗机一方面朝着多用途方向发展，另一方面，飞机的飞行包线不断扩大，从低亚声速待机到高亚声速和超声速巡航和机动（开加力或不开加力），飞行高度从海平面到15千米17千米，作战半径达1000千米2000千米。VCE正好能满足这种多飞行状态的性能要求。 据模拟计算结果，对于罗-罗公司选择的放气VCE，虽然重量增加50千克，但它仍可使飞机起飞总重和任务油耗分别降低2.33%和3.36%；对于GE公司的双涵VCE，任务油耗可降低2%3.5%，而且，在亚声速飞行时，VCE的涡轮前温度在某些点上可降低300K以上，这可用来进一步降低耗油率或延长涡轮寿命。特别是在20世纪70年代后，更加重视飞机机体/推进系统一体化设计，VCE还能降低溢流和后体阻力，其优势更为明显。于是，对军用目的VCE的研究逐步开展起来。 F120 F120是美国空军F-22先进战术战斗机的候选发动机，GE公司编号为GE37，加力推力15880千克，涵道比是00.35。它是美国空军和海军在19831990年主持的SCR、ATEGG、JTDE和ManTech等一系列计划的产物。 F120是一种能满足先进战术战斗机的高单位推力和部分功率状态低耗油率相互矛盾要求的双涵VCE，其基本结构是一台对转涡轮的双转子涡扇发动机。低压涡轮驱动两级风扇，高压涡轮驱动5级压气机（含CDFS）。两个涡轮对转，都是单级设计，无级间导向器。控制系统为三余度多变量FADEC。 它能够以单涵和双涵模式工作。 在亚声速巡航的低功率状态，发动机以双涵（涡扇）模式工作。被动作动旁路系统由第二级风扇和CDFS涵道之间的压差打开，使更多的空气进入外涵道，同时使风扇具有大的喘振裕度。此时，后VABI也打开，更多的外涵空气引射进入主排气流，使推力增大。 在超声速巡航的高功率状态，发动机以单涵（涡喷）模式工作。在此模式下，后VABI关小到使涡轮框架、加力燃烧室内衬和尾喷管内衬前后保持正的风扇冷却气流压差。当后VABI关小时，外涵中的压力增加，直到超过第二级风扇排气压力为止。在反压作用下，旁路系统模式选择活门关闭，迫使空气进入核心机。有少量空气从CDFS后引出，供加力燃烧室和喷管冷却以及飞机引气用。发动机顺利进入涡喷模式。 F120的最终结构经过三个阶段的发展。第一阶段用XF120进行地面试验，验证了基本循环的灵活性、性能特性、涡轮温度能力和失速裕度以及FADEC和二元矢量喷管的工作。第二阶段用YF120进行飞行试验。第三阶段的F120吸取了XF120和YF120计划的所有经验教训。YF120的流量比XF120的大，以满足不断增加的机体需求和喷管冷却要求。重量和复杂性被减到最小，而保障性始终作为一个关键设计目标。在F-22的原型机试验计划中，YF120成功地在YF-22和YF-23上飞行。它达到了重量、寿命、适用性和性能目标。它还达到或超过严格的最大不加力超声速巡航推力目标。 F120自然是从XF120地面试验和YF120飞行试验成功的基础上发展起来的。在F120上，用一个被动旁路系统代替了可调模式选择活门。对叶轮机作了改进，以改善匹配特性和效率。控制系统简化到了常规涡扇发动机的水平。因此，F120在比目前战斗机发动机更低的复杂性的条件下具有固有的灵活性和优良的保障性。它为飞机提供了优良的速度、加速性、机动性和航程能力。 总的来说，F120与GE公司成功的F110系列相比，结构简单得多，零件数少40%。 虽然F120在第四代战斗机的竞争中败给常规的F119,但仍作为替换发动机继续研制。VCE也仍是IHPTET计划的一项重要技术目标。 著名的V2500发动机（曾用于MD-90） 桨扇发动机 螺桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来。 螺桨风扇发动机的结构见图，它由燃气发生器和一副螺桨-风扇（因为实在无法给这个又象螺旋桨又象风扇的东东起个名字，只好叫它螺桨-风扇）组成。螺桨-风扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有68叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片 根据涡轮风扇发动机的原理，在飞行速度不变的情况下，涵道比越高，推进效率就越高，因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大，已经接近了结构所能承受的极限；而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高，但由于螺旋桨的速度限制无法应用于M0.8M0.95的现代高亚音速大型宽体客机，螺桨风扇发动机的概念则应运而生。 由于无涵道外壳，螺桨风扇发动机的涵道比可以很大，以正在研究中的一种发动机为例，在飞行速度为M0.8时，带动的空气量约为内涵空气流量的100倍，相当于涵道比为100，这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的，将其应用于飞机上，可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左 同涡轮螺旋桨发动机相比，螺桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近音速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在M0.6M0.65左右；而螺桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超音速机翼的剖面形状，这种叶型的跨音速性能就要好的多，在飞行速度为M0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。 当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外，暴露在空气中的螺桨-风扇的气动设计也是目前研究的难点所在 图1.13的发动机是桨扇发动机的一种方案，可以视为采用先进技术的涡轮螺桨发动机。 图1.14是带有外涵道的桨扇发动机，可以视为超高涵道比的涡轮风扇发动机（涵道比为1520量级）。 普通螺旋桨由3到4片直叶片组成，而桨扇由8到10片后掠叶片组成，此外还具有叶型薄、最大厚度位置后移等特点。这些特点克服了一般螺旋桨在飞行马赫数在达到0.65（大约800KM/H）之后效率迅速下降的问题，而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8左右。变循环喷气发动机 从飞机/发动机设计理念可知，对于持续高马赫数飞行任务，需要高单位推力的涡喷循环。反之，如果任务强调低马赫数和长航程，就需要低耗油率的涡扇循环。当任务兼有超声速飞行和亚声速飞行或存在多设计点时，麻烦就出现了。为任务的某一部分设计的循环在飞行包线其他地方的性能就差。在燃油消耗几乎均分在超声速和亚声速飞行的混合任务中或在多工作点是必须的情况下，变循环发动机（VCE）显示出巨大的潜力。 变循环喷气发动机的原理 VCE是通过改变发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的燃气涡轮发动机。利用变循环改变发动机循环参数，如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比，可以使发动机在各种飞行和工作状态下都具有良好的性能。在涡喷/涡扇发动机方面，VCE研究的重点是改变涵道比: 在爬升、加速和超声速飞行时：发动机涵道比减小，以接近涡喷发动机的性能，以增大推力。 在起飞和亚声速飞行时：发动机涵道比增大，以涡扇发动机状态工作，降低耗油率和噪声。 变循环喷气发动机的发展历程 由于受超声速客机和大飞行包线多任务战斗机需求的驱动，早在20世纪60年代国外就开始VCE的研究。1971年，美国航宇局（NASA）开始实施超声速巡航研究（SCR）计划,该计划的头3年，发动机承包商从上百个方案中优选出能够满足亚声速和超声速飞行相互矛盾要求的两种VCE，即GEAE公司的双涵道发动机(DBE)和普惠公司的变流路控制发动机（VSCE）。为了将研究工作集中在这两种VCE上，NASA在1976年制定了单独的超声速推进技术研究计划。到1981年计划结束时，相对1971年的GE4（GE当时研制的一种超声速运输机用发动机），经验证的VCE的超声速巡航耗油率下降10%，跨声速耗油率有类似的改善，亚声速的耗油率改善达24%，而重量仅为GE4的75%。 VSCE具有常规外涵加力涡扇发动机的流路，但采用独特的主燃烧室控制程序，并广泛采用变转速和变几何的风扇、压气机以及变几何的主喷管和副喷管，以控制其工作时的涵道比。在亚声速巡航状态，外涵不开加力，发动机以一种常规分排中等涵道比（约1.5）涡扇发动机工作，因而具有比较好的亚声速巡航性能。起飞、加速和超声速巡航时，需要大的推力，因而打开外涵加力。起飞开加力时噪声增大，但因采用同心环反速度场喷管而得以降低。结果，起飞时的噪声相当于常规涡扇发动机的噪声水平。在超声速巡航时，通过提高涡轮前温度和变几何，加大高压转子转速，这样，涵道比减小，对加力的需求也减小，其耗油率接近设计良好的涡喷发动机。 1985年后，美国的VCE研究工作纳入NASA的高速推进研究计划（HSPR），DBE和VSCE两种方案继续得到发展。进入90年代后，美国、欧洲和日本又掀起研究超声速（M3）和高超声速客机推进系统的热潮。罗-罗公司提出可放气的VCE。法国斯奈克玛公司提出了中间风扇的MCV99VCE方案。 1989年，日本开始着手为期10年的超声速和高超声速推进系统研究计划（HYPR）,并于1999年完成，总投资约3亿美元。计划的目标是为超声速运输机和高速运输机的推进系统打下技术基础。通过研究和试验马赫数5的组合循环发动机(CCE)验证了其可行性。CCE由VCE(代号为HYPR-T)和以甲烷为燃料的冲压发动机组成。HYPR-T的方案与GE公司的DBE类似。 1996年12月到1997年2月，HYPR-T发动机的模拟高空试验在GE的模拟高空试验台上进行，模拟的速度为马赫数3，高度20700米。通过试验，成功地验证了发动机的适用性。在试验中，涡轮前温度达到1873K，涵道比从0.6成功地变化到0.9。通过改变低压涡轮导向器的角度，在高速高温状态下的推力增加15%。 VCE研究的另一个驱动力来自战斗机方面。 自20世纪60年代以来，战斗机一方面朝着多用途方向发展，另一方面，飞机的飞行包线不断扩大，从低亚声速待机到高亚声速和超声速巡航和机动（开加力或不开加力），飞行高度从海平面到15千米17千米，作战半径达1000千米2000千米。VCE正好能满足这种多飞行状态的性能要求。 据模拟计算结果，对于罗-罗公司选择的放气VCE，虽然重量增加50千克，但它仍可使飞机起飞总重和任务油耗分别降低2.33%和3.36%；对于GE公司的双涵VCE，任务油耗可降低2%3.5%，而且，在亚声速飞行时，VCE的涡轮前温度在某些点上可降低300K以上，这可用来进一步降低耗油率或延长涡轮寿命。特别是在20世纪70年代后，更加重视飞机机体/推进系统一体化设计，VCE还能降低溢流和后体阻力，其优势更为明显。于是，对军用目的VCE的研究逐步开展起来。 F120 F120是美国空军F-22先进战术战斗机的候选发动机，GE公司编号为GE37，加力推力15880千克，涵道比是00.35。它是美国空军和海军在19831990年主持的SCR、ATEGG、JTDE和ManTech等一系列计划的产物。 F120是一种能满足先进战术战斗机的高单位推力和部分功率状态低耗油率相互矛盾要求的双涵VCE，其基本结构是一台对转涡轮的双转子涡扇发动机。低压涡轮驱动两级风扇，高压涡轮驱动5级压气机（含CDFS）。两个涡轮对转，都是单级设计，无级间导向器。控制系统为三余度多变量FADEC。 它能够以单涵和双涵模式工作。 在亚声速巡航的低功率状态，发动机以双涵（涡扇）模式工作。被动作动旁路系统由第二级风扇和CDFS涵道之间的压差打开，使更多的空气进入外涵道，同时使风扇具有大的喘振裕度。此时，后VABI也打开，更多的外涵空气引射进入主排气流，使推力增大。 在超声速巡航的高功率状态，发动机以单涵（涡喷）模式工作。在此模式下，后VABI关小到使涡轮框架、加力燃烧室内衬和尾喷管内衬前后保持正的风扇冷却气流压差。当后VABI关小时，外涵中的压力增加，直到超过第二级风扇排气压力为止。在反压作用下，旁路系统模式选择活门关闭，迫使空气进入核心机。有少量空气从CDFS后引出，供加力燃烧室和喷管冷却以及飞机引气用。发动机顺利进入涡喷模式。 F120的最终结构经过三个阶段的发展。第一阶段用XF120进行地面试验，验证了基本循环的灵活性、性能特性、涡轮温度能力和失速裕度以及FADEC和二元矢量喷管的工作。第二阶段用YF120进行飞行试验。第三阶段的F120吸取了XF120和YF120计划的所有经验教训。YF120的流量比XF120的大，以满足不断增加的机体需求和喷管冷却要求。重量和复杂性被减到最小，而保障性始终作为一个关键设计目标。在F-22的原型机试验计划中，YF120成功地在YF-22和YF-23上飞行。它达到了重量、寿命、适用性和性能目标。它还达到或超过严格的最大不加力超声速巡航推力目标。 F120自然是从XF120地面试验和YF120飞行试验成功的基础上发展起来的。在F120上，用一个被动旁路系统代替了可调模式选择活门。对叶轮机作了改进，以改善匹配特性和效率。控制系统简化到了常规涡扇发动机的水平。因此，F120在比目前战斗机发动机更低的复杂性的条件下具有固有的灵活性和优良的保障性。它为飞机提供了优良的速度、加速性、机动性和航程能力。 总的来说，F120与GE公司成功的F110系列相比，结构简单得多，零件数少40%。 虽然F120在第四代战斗机的竞争中败给常规的F119,但仍作为替换发动机继续研制。VCE也仍是IHPTET计划的一项重要技术目标。 著名的V2500发动机（曾用于MD-90） 桨扇发动机 螺桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来。 螺桨风扇发动机的结构见图，它由燃气发生器和一副螺桨-风扇（因为实在无法给这个又象螺旋桨又象风扇的东东起个名字，只好叫它螺桨-风扇）组成。螺桨-风扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有68叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片 根据涡轮风扇发动机的原理，在飞行速度不变的情况下，涵道比越高，推进效率就越高，因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大，已经接近了结构所能承受的极限；而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高，但由于螺旋桨的速度限制无法应用于M0.8M0.95的现代高亚音速大型宽体客机，螺桨风扇发动机的概念则应运而生。 由于无涵道外壳，螺桨风扇发动机的涵道比可以很大，以正在研究中的一种发动机为例，在飞行速度为M0.8时，带动的空气量约为内涵空气流量的100倍，相当于涵道比为100，这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的，将其应用于飞机上，可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左 同涡轮螺旋桨发动机相比，螺桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近音速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在M0.6M0.65左右；而螺桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超音速机翼的剖面形状，这种叶型的跨音速性能就要好的多，在飞行速度为M0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。 当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外，暴露在空气中的螺桨-风扇的气动设计也是目前研究的难点所在 图1.13的发动机是桨扇发动机的一种方案，可以视为采用先进技术的涡轮螺桨发动机。 图1.14是带有外涵道的桨扇发动机，可以视为超高涵道比的涡轮风扇发动机（涵道比为1520量级）。 普通螺旋桨由3到4片直叶片组成，而桨扇由8到10片后掠叶片组成，此外还具有叶型薄、最大厚度位置后移等特点。这些特点克服了一般螺旋桨在飞行马赫数在达到0.65（大约800KM/H）之后效率迅速下降的问题，而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8左右。涡轮螺旋桨发动机 一般来说，现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比是有着不断加大的趋势的。因为对于涡轮风扇发动机来说，若飞行速度一定，要提高飞机的推进效率，也就是要降低排气速度和飞行速度的差值，需要加大涵道比；而同时随着发动机材料和结构工艺的提高，许用的涡轮前温度也不断提高，这也要求相应地增大涵道比。对于一架低速（500600km/h）的飞机来说，在一定的涡轮前温度下，其适当的涵道比应为50以上，这显然是发动机的结构所无法承受的 为了提高效率，人们索性便抛去了风扇的外涵壳体，用螺旋桨代替了风扇，便形成了涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机。涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的直径较大，转速要远比涡轮低，只有大约1000转/分，为使涡轮和螺旋桨都工作在正常的范围内，需要在它们之间安装一个减速器，将涡轮转速降至十分之一左右后，才可驱动螺旋桨。这种减速器的负荷重，结构复杂，制造成本高，它的重量一般相当于压气机和涡轮的总重，作为发动机整体的一个部件，减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。 涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气流量也远大于内涵道，因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。 尽管工作原理近似，但涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机在产生动力方面却有着很大的不同，涡轮螺旋桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率，而尾喷管喷出的燃气推力极小，只占总推力的5%左右，为了驱动大功率的螺旋桨，涡轮级数也比涡轮风扇发动机要多，一般为26级。 同活塞式发动机螺旋桨相比，涡轮螺旋桨发动机有很多优点。首先，它的功率大，功重比（功率/重量）也大，最大功率可超过10000马力，功重比为4以上；而活塞式发动机最大不过三四千马力，功重比2左右。其次，由于减少了运动部件，尤其是没有做往复运动的活塞，涡轮螺旋桨发动机运转稳定性好，噪音小，工作寿命长，维修费用也较低。而且，由于核心部分采用燃气发生器，涡轮螺旋桨发动机的适用高度和速度范围都要比活塞式发动机高很多。在耗油率方面，二者相差不多，但涡轮螺旋桨发动机所使用的煤油要比活塞式发动机的汽油便宜。 由于涵道比大，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率要高于涡轮风扇发动机，但受到螺旋桨效率的影响，它的适用速度不能太高，一般要小于900km/h。目前在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机中的到广泛应用。 火箭发动机 现代火箭发动机主要分固体推进剂和液体推进剂发动机。所谓“推进剂”就是燃料（燃烧剂）加氧化剂的合称。 固体火箭发动机 固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。 固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等）。药柱置于燃烧室（一般即为发动机壳体）中。在推进剂燃烧时，燃烧室须承受25O035O0度的高温和1022107帕的高压力，所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。 点火装置用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒（装黑火药或烟火剂）组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点火燃药拄。 喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量控制系统组成喷管组件。该系统能改变燃气喷射角度，从而实