节选自up本学期航空发动机原理课第一次大作业《航空燃气涡轮发动机发展调研报告》。点赞加关注给up狠狠地 注 入 动力，为大家产出更多精(shui)彩(bi)的作品。

1. 涡喷发动机和小涵道比涡扇发动机

涡喷发动机一般由进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管等部件组成，其中压气机、燃烧室、涡轮合称为核心机。空气经进气道进入发动机，经过压气机加压后进入燃烧室与燃料掺混，点火燃烧形成高温燃气，膨胀推动涡轮做功、带动压气机，经过涡轮后的燃气通过尾喷管排出而产生推力。

涡喷发动机工作时高速喷出燃气，燃气直接散溢造成巨大的能量损失，因此涡喷发动机的经济性差、油耗高。当前涡喷发动机主要应用需要高空高速性能的场合，如高空无人机、靶机和导弹等领域。

涡扇发动机在涡喷发动机的基础上增加了风扇和低压涡轮。流经风扇的空气分为两股：外股直接排出；内股气流与涡喷发动机一样经过压气机、燃烧室和涡轮后由喷管排出。外股与内股气流的流量之比称为涵道比。小涵道比加力涡扇发动机巡航油耗低、最大速度高，适合作为战斗机动力。

战斗机等军机用燃气涡轮发动机以推重比为主要指标大致可分五代（表1）。[1,2]

世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的Jumo-004，1940年10月开始台架试车，1941年12月推力达到9.8kN，1942年7月18日装在Me-262飞机上试飞成功。20世纪50年代初，加力燃烧室的采用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力，为飞机突破声障提供足够的推力。典型的发动机有美国的J57和苏联的RD-9B，它们的加力推力分别为70kN和32.5kN，推重比分别为3.5和4.5。它们分别装备在超声速的单发战斗机F-100和双发战斗机米格-19上。在50年代末和60年代初，各国研制了适合马赫数2以上飞机的一批涡喷发动机，如J75、J79、阿塔9C、R-11和R-13等，推重比已达5~6。在60年代中期还发展出用于马赫数3一级飞机的J58和R-31涡喷发动机。到70年代初，用于“协和”超声速客机的Olympus 593涡喷发动机定型，最大推力达到170 kN。从此再没有重要的涡喷发动机问世。

20世纪60年代，美、英在民用涡扇发动机的基础上研制出了TF-30和斯贝MK202，分别用于F-111战斗轰炸机和英国购买的“鬼怪”YF-4M/K战斗机。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，但中间耗油率低，使得飞机航程大大增加。在70~80年代，各国相继研制出推重比8一级的涡扇发动机，美国的F100、F404、F110，前苏联的AL-31F、RD-33和西欧三国的RB199。它们被装备在F-15、F-16、F-18、苏-27、米格-29和“狂风”等战斗机上。目前，推重比10一级的涡扇发动机已投入使用，它们包括美国的F119、F135，俄罗斯的117S，中国的涡扇15和西欧的EJ2000等。其中，装备F119的F-22飞机具有第五代战斗机代表性特征——超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力；超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F135使得F-35B战斗机具备垂直起降能力。

2. 大涵道比涡扇发动机

大涵道比涡扇发动机具有耗油率低、噪声小的特点，广泛应用于大型民用客机、军民用运输机。大涵道比涡扇发动机采用“三高”循环参数设计，即高涵道比、高总增压比和高涡轮前温度。按照发动机所采用的循环参数与设计技术，大涵道比涡扇发动机大致可分为四代（表2）。[3]

当前，第三代大涵道比涡扇发动机是民用客机、军民用运输机主力，四代发动机正在进入市场。目前在国际市场上，大型飞机发动机的研制主要依赖GE、PW和R&R三大公司，各公司发动机系列化发展，已形成垄断格局，推力范围覆盖了100~500KN；而俄罗斯研制的大涵道比涡扇发动机主要配装本国生产的大型飞机。

3. 涡桨、涡轴和桨扇发动机

涡桨发动机的驱动原理与活塞式发动机基本相同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力，结合了涡喷功率大和螺旋桨推进效率高的优点。

1942年,英国开始研制世界上第一台涡桨发动机“曼巴”。此后，美、英和前苏联陆续研制出多种涡桨发动机，如T56、AI-20和AI-24。这些涡桨发动机的耗耗油率低、经济性好、起飞推力大，主要装备于运输机和轰炸机。美国在1956年服役的涡桨发动机 T56/501用于C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机，它的功率范围为2580~4414kW，有多个军民用系列，共生产了17000多台、出口到80多个国家和地区，至今还在生产，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一。前苏联的HK-12M的最大功率达11 000kW，用于图-95轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，涡桨发动机在大型远程运输机上逐步被涡扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途。

涡轴发动机是直升机最主要的动力，其工作原理与涡桨发动机类似，燃气流经驱动压气机的涡轮后，再流经一个驱动减速器的自由涡轮，最后从尾喷管中喷出，减速器的输出轴与传动直升机旋翼的主减速器相连，驱动旋翼的旋转。涡轴发动机具有功重比高、油耗低等特点。

涡轴发动机经过不断改进改型和更新换代，已成功研制到第四代并开始陆续投入使用（表3）。[1,4-6] 目前，直升机市场上普遍采用的是第三代涡轴发动机，少数直升机采用第四代涡轴发动机。

桨扇发动机既可看作带先进高速螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机，又可看作除去外涵道的超高涵道比涡轮风扇发动机，结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇发动机飞行速度高的优点，其有效涵道比为15~20。桨扇发动机克服了一般螺旋桨在飞行马赫数到达0.65后效率就急剧下降的缺点，而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8左右。

在20 世纪80年代后期，掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热潮。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预研和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇GE36曾进行了飞行试验。但由于桨扇发动机噪声、振动及减速器性能差，特别是没有外涵机匣，使用安全性没有保证等问题未能得到很好的解决，桨扇发动机尚未被广泛采用，只有俄罗斯和乌克兰的安-70/D-27进入工程研制并计划生产装备部队。但因飞机技术老化、发动机噪声不符合欧洲标准和试验中发生的问题较多，俄乌双方均做出放弃装备该机的决定。

4. 航空发动机改舰用燃气轮机

舰用燃气轮机应该基于现有航空发动机改型设计还是需要重新设计已争论已久，经过反复实践终于得出了明确的结论，即应当走航空发动机舰用化改装的道路。随着长寿命、低油耗和大功率的航空发动机的不断涌现，航空发动机技术也相继成熟并可批量生产和长期使用，为舰用化改装创造了良好的基础。此外，航空发动机舰用化改装技术水平不断提高，可充分满足现代舰船对燃气轮机动力的各项要求。[7]

英国从 20 世纪 40 年代初期开始就从事航空发动机舰用化的改装研究。例如，由航空发动机改装的G1型舰用燃气轮机取得了一定成功，并在装艇试用期内有着较好的效果，从而开创了燃气轮机在舰船上应用的纪元，但是油耗过高，大修期过短，且无法解决部分工况的运行问题，因此研制了专用的燃气轮机。由于此类机型结构复杂，操作不便，生产成本高，并未得到进一步发展。直到20世纪60年代，人们再次将研发重心调整到航空发动机的舰用化改装工作上来，出现了海神和奥林普斯两种舰用燃气轮机。

美国曾于20世纪40年代起开始研制舰用燃气轮机，主要是发展小型非战斗舰船的动力装置。在引进英国海神舰用燃气轮机的同时，它加强了航空发动机舰用化改装的研制工作，并取得了一些进展，但主要用于高速炮艇、反潜水翼艇和海岸警备舰。直到后来舰用燃气轮机才有了明显进展，并在各种水面舰船上得以大量使用。

前苏联在第二次世界大战以后开始研制舰用燃气轮机，并于 20 世纪 50 年代初期装艇使用。M1型舰用燃气轮机是在P-20航空发动机的基础上进行舰用化改装。在M1型舰用燃气轮机的基础上进行改进设计，发展成M2型舰用燃气轮机，提高了功率，降低了耗油率。1957年，舰队技术委员会的决议规定，鉴于常规汽轮机装置已不能满足现代舰船对动力的要求，必须发展核动力和舰用燃气轮机。

目前，业界普遍认为航空发动机的舰用化改装时间少、费用低且技术成熟可行。因此，西方发达国家几乎无例外地采用由航空发动机改型的轻型燃气轮机作为舰船的动力装置，而各航空发动机制造公司也几乎无例外地将成熟的航空发动机改装设计成为工业和舰用燃气轮机，使业界普遍认为航空燃气轮机的发展可促进整个燃气轮机工业的迅速发展。

著名的美国通用动力LM2500舰用燃气轮机就是CF6-50航空发动机的航改机型。中国也曾引进LM-2500燃气轮机，装载在052型驱逐舰“哈尔滨”舰上（图1），该舰在海军中获得广泛好评，曾被冠以“中华第一舰”之称。

参考文献

[1]黄维娜,李中祥. 国外航空发动机简明手册[M]. 第1版. 西安: 西北工业大学出版社, 2014

[2]于雷. 战斗机,在竞争中更新换代[J]. 中国民兵, 2007(2):2.

[3]沈锡钢. 大涵道比涡扇发动机总体性能与循环参数设计[J]. 航空科学技术, 2011(4):4.

[4]周新新,陈玉春,樊巍等.涡轴发动机技术参数与发展趋势评估[J].航空工程进展,2013,4(02):150-157.DOI:10.16615/j.cnki.1674-8190.2013.02.010.

[5]彭丽海. 涡轴发动机的应用现状与发展探讨[J]. 中国科技博览, 2012(2):1.

[6]雷新国, 周辉华, 张媛. 我国民用涡轴发动机的发展研究[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2016, 29(4):6.

[7]伍赛特.航空发动机用于水面舰船动力装置的改型研究[J].现代制造技术与装备,2021,57(01):136-138+141.DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2021.0048.