燃气涡轮发动机的种类简介

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：低速小型航空器主要使用往复式发动机，中型中速航空器主要使用往复式发动机和涡桨发动机，大型高速航空器主要使用涡轮喷气发动机和涡扇发动机。这种发动机称为后燃烧涡轮喷气发动机，可以进行超音速飞行。涡桨发动机是使用非往复式的燃气涡轮发动机。涡桨发动机的发动机噪声和振动较小，但螺旋桨产生的噪声较大。超音速燃烧冲压式喷气发动机是适用在马赫数5以上飞行器的喷气式发动机。

燃气涡轮发动机大体上分为航空用和工业用。作为工业用主要是通过旋转轴获得动力的轴动力发动机，航空用不仅有轴动力发动机，还有燃烧气体从喷口喷出获得推力的喷射推进发动机。

航空用轴动力发动机有往复式发动机、涡轮轴发动机，喷射推进发动机有涡轮喷气发动机、涡桨发动机、涡扇发动机、冲压式喷气发动机、超音速燃烧冲压式喷气发动机和脉动喷气发动机。对于燃气涡轮发动机（涡轮发动机）来说，压缩器、燃烧器和涡轮为基本配置，但冲压式喷气发动机、超音速燃烧冲压式喷气发动机、脉动喷气发动机没有压缩器和涡轮，仅有燃烧器。

低速小型航空器主要使用往复式发动机，中型中速航空器主要使用往复式发动机和涡桨发动机，大型高速航空器主要使用涡轮喷气发动机和涡扇发动机。如直升机等旋翼式航空器在开发初期多使用往复式发动机，但现在主要使用涡轮轴发动机。

1.航空用燃气涡轮发动机

航空器用燃气涡轮发动机根据产生动力的部分和形状及构造，主要分为涡轮喷气发动机、涡桨发动机、涡扇发动机、涡轮轴发动机，如图12-2所示。

图12-2 航空器用喷气发动机

（1）涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机是少量的流体通过喷口高速喷出获得高推力的发动机。此发动机在飞行速度越高时其效率越高，尤其是从跨音速到超音速（马赫数0.9～3.0）之间表现出优秀的飞行性能。但是，在低速状态其效率较低，燃料消耗率会增大。另外，因燃烧气体高速喷出，因此喷气噪声很大。早期的喷气发动机大部分为涡轮喷气发动机，但因效率和噪声问题，主用于军事领域。

现在，涡轮喷气发动机在主燃烧室与喷口之间增设有加力燃烧室（后燃烧室），把燃烧气体进行再加热后通过喷口喷出，以增加推力。这种发动机称为后燃烧涡轮喷气发动机，可以进行超音速飞行。战斗机等有必要在很短的时间内急速增加推力时使用。

（2）涡桨发动机涡桨发动机有两个功能：一是把大量的流体低速加速获得推力的螺旋桨功能；二是使少量的流体高速喷出获得推力的涡轮喷气功能。

螺旋桨推进发动机也是把大量的流体以低速加速获得推进力的低速用发动机，主要使用往复式发动机。涡桨发动机是使用非往复式的燃气涡轮发动机。低速用航空器的螺旋桨使用2～4个桨叶，这是因为大量的空气以较低的速度流动，损失较低。输出动力的大部分（75%～80%）是从涡轮轴的旋转转矩获得，然后因涡轮轴高速旋转通过减速齿轮降低速度，之后驱动螺旋桨旋转获得推力，同时通过燃烧气体从喷口高速喷出获得部分推力（20%～25%）。

涡桨发动机具备喷气发动机的高速、高空特性和螺旋桨的低速、低空特性优势，在中速、中高度飞行中也能获得高效率。涡桨发动机的发动机噪声和振动较小，但螺旋桨产生的噪声较大。

（3）涡扇发动机涡扇发动机又称为风扇喷气发动机、涵道式发动机、涵道风扇发动机，在压缩器前配备有轴流风扇的类型。轴流风扇安装在涵道内，其作用类似于涡桨发动机的螺旋桨功能。此发动机是为了提高涡轮喷气发动机的低速性能而开发的，可以认为结合了涡轮喷气发动机和涡桨发动机二者的特性。

涡轮风扇与涡轮螺旋桨的不同点是，涡轮螺旋桨使用2～4个桨叶，而涡轮风扇使用30～40个扇叶，因此能加速大量的空气，该力远小于通过涡轮喷气发动机排气获得相同的推力，因此效率较高。风扇的驱动力由配置在涡轮喷气发动机高压涡轮（HPT）后的低压涡轮（LPT）把燃烧气体的热能转换为涡轮轴动能并提供。

如图12-2c所示，进入风扇的空气大部分经过核心（燃烧室）周围的涵道并从风扇排气喷口喷出。进入核心部分的主空气量对流过核心周围的两股空气量之间的比值称为涵道比，典型的涡轮风扇发动机的涵道比约为8：1。从理论上，理想的情况是从喷口喷出的排气速度与风扇喷口喷出的空气速度相同。如果涵道比为8：1，则约90%的推力从风扇获得，剩余的10%从涡轮喷气发动机的排气获得。推力比随涵道比的不同而不同。此类型发动机的特征是，亚音速（马赫数0.6～0.9）的推进效率较高，降低燃料消耗率，还因排气喷出速度低，排气噪声较小。因此，此类型发动机多使用在民间用大型航空器上，目前还用推力增强装置，使用在F-111、F-14和F-15等马赫数为2.0以上的大型超音速战斗机上。图12-3所示为波音777飞机上使用的普莱特惠特尼公司（Pratt & Whitney）生产的PW4084涡扇发动机。其规格：长为4.87m，风扇直径为2.84m，质量为6800kg。

（4）冲压式喷气发动机喷气发动机根据压缩空气的方法分为涡轮喷气发动机、冲压式喷气发动机、超音速燃烧冲压式喷气发动机和脉动喷气发动机，如图12-4所示。

图12-3 涡轮风扇发动机

冲压式喷气、超音速燃烧冲压式喷气、脉动喷气发动机均没有压缩器，是利用航空器速度的冲压（动压）压缩空气。涡轮喷气发动机为了使燃烧气体的喷气速度远大于进气速度，利用压缩器增加空气的压力。冲压式喷气发动机没有压缩器和涡轮，仅有燃烧室，因此构造简单，效率高，推重比（推力/重量）也较大，约为20，但在停止状态不能以自力推进，为了产生冲压必须以其他方式使飞行器加速到适当速度。因此，冲压式喷气发动机不同于涡轮喷气发动机，在超音速飞行时能产生有效的推力，必须配备能加速到产生有效冲压速度的助推器。

超音速燃烧冲压式喷气发动机是适用在马赫数5以上飞行器的喷气式发动机。冲压式喷气发动机在马赫数5以上（极超音速）的速度下，因发动机内空气力学上的过负荷，推进效率大幅度降低不能使用。这是因为冲压式喷气发动机的燃烧在亚音速条件下进行燃烧，如果把以超音速进入的空气减速为亚音速状态，则空气的温度会上升到火焰温度附近的2000K以上，空气会发生分解（吸热反应）反应，因而通过燃料的燃烧从化学能获得推进动能的概念成为无意义之举。超音速燃烧冲压式喷气发动机的燃烧室如图12-4c所示，没有把燃烧气体从亚音速加速到超音速的几何学喷管缩颈部分，仅由喷管膨胀部分构成，燃烧在超音速（马赫数2以上）状态下进行。

图12-4 喷气式推进发动机的概念图

脉动喷气发动机是在冲压式喷气发动机的进气道上增设自动进气控制阀，把空气以绝热状态引入和压缩，并断续燃烧的发动机。理想的状态是，在自动进气控制阀关闭的静态下进行燃烧，使燃烧室内的压力急速上升。在急速上升的压力作用下，会迅速关闭自动进气控制阀，燃烧气体在下游侧喷管中膨胀，以大于入口的速度喷出。燃烧气体在喷管中膨胀加速，当燃烧室内的压力下降到一定压力时，进气阀自动打开，新鲜空气进入燃烧室与燃料混合，并被残留热点燃着火进行燃烧。此发动机因在燃烧过程中使压力上升，一旦起动，在停止状态也可以运行，但自动进气控制阀的寿命较短，因此仅限于使用在特殊用途上。

航空用发动机主要使用涡轮喷气发动机，适合的飞行速度最高马赫数为2.0～2.3，在此以上飞行速度上，冲压式喷气发动机较有效。图12-5所示为各种推进发动机适合的飞行速度和高度。

2.工业用燃气涡轮发动机

工业用燃气涡轮发动机主要使用涡轮轴发动机。涡轮轴发动机不仅使用在发电机上，还广泛使用在坦克、军舰上，在航空领域主要使用在直升机上。此类发动机不产生推力，仅获得机械能，燃烧气体在燃气涡轮中膨胀到大气压，直接产生轴的旋转功（或电能），通过减速装置传递动力驱动直升机的螺旋桨、船舶用螺旋桨、坦克轮等。直升机不需要额外的喷气推力，仅需要带动螺旋桨旋转的动力，因此使用此种发动机。

图12-5 各种推进发动机适合的飞行速度和高度

发电机用燃气涡轮发动机种类繁多，从能装载在货车上的小型微型燃气涡轮发动机到输出功率为数十万千瓦的大型发电机，多种多样。涡轮的转速适合产生交流电压，不需要减速齿轮的3000～3600r/min，热效率为30%左右，近年来通过涡轮叶片冷却技术的提高和新的耐热材料的开发利用，涡轮入口的温度可以达到1300～1400℃。

微型燃气涡轮发动机是燃气涡轮小型化的结构，种类多样，输出功率可以从1kW以下到数百kW。因具备技术性优势和环保特性，可作为分散性电源和小规模热电联供发电机用，正处于普及的趋势。这是因通过电能转换技术，即使微型燃气涡轮发动机发电机与传统的电网频率不同步，也能把发电机与涡轮轴进行连接使用的缘故。

最近，燃气涡轮发动机+蒸汽轮机的复合发电技术应用较多。这是把燃气涡轮发动机排放的高温排气热量（废热）作为蒸汽轮机锅炉热源使用的方式。燃气涡轮发动机和蒸汽轮机分别与各自的发电机连接发电，热效率可提高到45%左右，比传统的发电系统相比约提高15%的热效率。如果采用同时产生电力和热量的热电联供发电，可以获得70%以上的热效率。

燃气涡轮发动机的种类简介

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