許 碩 袁海泉

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006）

國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人的大飛機(jī)夢(mèng).飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為飛行器的心臟，為飛行器提供推進(jìn)動(dòng)力或支持力.渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，又是渦扇、渦槳、渦軸、槳扇等常見(jiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)基礎(chǔ).因此，了解渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)也就能更好地理解航空發(fā)動(dòng)機(jī).

在國(guó)產(chǎn)航空工業(yè)發(fā)展的時(shí)代背景下，用高中物理知識(shí)通俗易懂地向?qū)W生介紹渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，做到“物理·技術(shù)·社會(huì)”的落實(shí)，可以增加學(xué)生對(duì)航空知識(shí)的興趣.

1 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，這個(gè)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)向氣體施加力.根據(jù)牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力.此時(shí)，氣體給發(fā)動(dòng)機(jī)也施加了一個(gè)反作用力，推動(dòng)飛機(jī)向前飛行.這就是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)原理.

20世紀(jì)30年代末，飛機(jī)的飛行速度可達(dá)700～800 km／h，高度達(dá)到10 000 m以上.與此同時(shí)，工程師們發(fā)現(xiàn)即使提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，也不能明顯提高飛行速度，二戰(zhàn)之前流行的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿足螺旋槳飛機(jī)的要求.因此，螺旋槳和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)模式已經(jīng)不能進(jìn)一步提高飛行性能，需要新型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生.此時(shí)，螺旋槳也暴露出了它的弱點(diǎn).槳葉葉尖與空氣的相對(duì)速度已接近音速，并產(chǎn)生沖波，形成跨聲速流場(chǎng)，使效率降低，從而導(dǎo)致推力下降.而螺旋槳的迎風(fēng)面積較大，阻力也就越大，飛行高度越高，大氣更加稀薄，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率急劇下降.這意味著僅僅改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不夠了，必須改變推進(jìn)方式才能進(jìn)一步提高速度［1］.

1929年末，英國(guó)皇家空軍飛行教官弗蘭克·惠特爾想到將哈里斯推進(jìn)系統(tǒng)中的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)去掉，用渦輪取代.大約在1933年，德國(guó)哥廷根大學(xué)學(xué)生漢斯·馮·俄海因也提出了類(lèi)似設(shè)想.這種設(shè)想第一次把渦輪和噴氣推進(jìn)兩個(gè)獨(dú)立研究的技術(shù)“合二為一”，被認(rèn)為是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理誕生的標(biāo)志［2］.惠特爾在1930年獲得了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，但到了1941年，他設(shè)計(jì)和研制的發(fā)動(dòng)機(jī)才第一次試飛成功，這次成功的實(shí)踐形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ).

2 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室.渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種，遵循熱機(jī)工作的物理原理：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量.因此，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是相同的，都需要有進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣這4個(gè)階段，不同的是，在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中這4個(gè)階段是分時(shí)依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部分，就對(duì)應(yīng)著活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的4個(gè)工作位置.

2.1 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)大多是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，即活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過(guò)4個(gè)沖程完成一個(gè)工作循環(huán)，依次是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程.

進(jìn)氣沖程是指將外界空氣吸入氣缸內(nèi)部的過(guò)程，其目的是為燃料燃燒提供充足的氧氣.此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，氣缸的進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)、排氣門(mén)關(guān)閉.隨著活塞位置的逐漸下移，氣缸內(nèi)容積逐漸增大，由理想氣體方程pV=nRT可知此時(shí)氣缸內(nèi)的壓力降低——低于外界大氣壓，從而產(chǎn)生了人們常說(shuō)的真空吸力.在內(nèi)外氣壓差的作用下，外界空氣源源不斷被吸進(jìn)氣缸.直至活塞移動(dòng)到下止點(diǎn)，此時(shí)在配氣機(jī)構(gòu)的配合下，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，進(jìn)氣沖程結(jié)束.

當(dāng)進(jìn)氣沖程結(jié)束后，由于慣性作用飛輪繼續(xù)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞.把活塞由下止點(diǎn)推動(dòng)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng).進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同樣處于關(guān)閉狀態(tài)，氣缸環(huán)境處于密閉中.活塞向上移動(dòng)，氣缸內(nèi)部容積逐漸減小，混合氣體被壓縮，由理想氣體方程可知，此時(shí)氣體壓力和溫度隨著體積的減少而逐漸升高.當(dāng)活塞移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，混合氣體被壓縮在燃燒室這個(gè)小空間內(nèi)，這時(shí)壓強(qiáng)大大提高，燃燒后的做功能力也大大增強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率也更大，壓縮沖程結(jié)束.

當(dāng)壓縮沖程即將結(jié)束，活塞接近上止點(diǎn)，汽缸頭上的火花塞通過(guò)高壓電產(chǎn)生了電火花，此時(shí)缸內(nèi)溫度極高，混合氣體被點(diǎn)燃并迅速燃燒，釋放大量熱能，氣體劇烈膨脹，壓力迅速增高，推動(dòng)活塞向下止點(diǎn)迅速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿也向下運(yùn)動(dòng)并通過(guò)連桿使曲軸轉(zhuǎn)起來(lái)，從而帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能.此沖程也是使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力的唯一沖程.當(dāng)活塞移動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，做功沖程結(jié)束.

做功沖程結(jié)束后，曲軸在飛輪的慣性作用帶動(dòng)下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)開(kāi)啟，氣缸中燃燒后的廢氣通過(guò)排氣門(mén)排出氣缸.當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，大部分廢氣已被排出，然后排氣門(mén)關(guān)閉，排氣沖程結(jié)束［3］.至此，一個(gè)“循環(huán)”里的4個(gè)沖程全部結(jié)束，又開(kāi)始了新的一次循環(huán).

圖1 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.2 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

空氣首先從發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)入，當(dāng)流過(guò)進(jìn)氣道后的壓氣機(jī)時(shí)，壓氣機(jī)的工作葉片對(duì)氣流做功，從而提高氣流的壓力并使氣流的溫度升高.壓氣機(jī)之后是燃燒室，向升壓后的氣體噴入燃油進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生了高溫高壓的高能燃?xì)猓?］.

高溫高壓燃?xì)鈴娜紵抑辛鞒?，繼續(xù)流向渦輪，渦輪和壓氣機(jī)裝配在同一條軸上.燃?xì)庠跍u輪中膨脹，部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn).在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，處于平衡狀態(tài)時(shí)，氣流在渦輪中膨脹所做的功等于壓氣機(jī)壓縮空氣所消耗的功以及傳動(dòng)附件克服摩擦所需的功.經(jīng)過(guò)燃燒后，渦輪進(jìn)口處的燃?xì)饽芰匡@著增加，渦輪中氣流的膨脹比遠(yuǎn)大于在壓氣機(jī)中的壓縮比，渦輪出口處氣體的壓力和溫度都遠(yuǎn)高于壓氣機(jī)進(jìn)口處，這部分燃?xì)獾哪芰恳渤蔀榘l(fā)動(dòng)機(jī)的推力.

高溫高壓燃?xì)鈴臏u輪中流出后在尾噴管中繼續(xù)膨脹，燃?xì)獯藭r(shí)的速度比氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的速度大得多，并沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向從噴口向后排出，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了反作用的推力.渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示.

圖2 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

3 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和改進(jìn)

隨著噴氣技術(shù)的發(fā)展，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)也不能滿足飛行要求，為提高效率，人們?cè)跍u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，誕生了多種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī).

3.1 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)

把渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)改成軸功輸出，外接螺旋槳推進(jìn)，便形成了渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦槳發(fā)動(dòng)機(jī).渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)由螺旋槳和燃?xì)獍l(fā)生器組成，螺旋槳由渦輪帶動(dòng).

與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加螺旋槳相比，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn).一是功率大，功率重量比也大.二是運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好，增加了工作壽命，降低了維修費(fèi)用.三是雖然二者的耗油率差不多，但渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是比活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用的汽油更加便宜的煤油，這也降低了經(jīng)濟(jì)成本.渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示.

圖3 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.2 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加幾級(jí)渦輪，帶動(dòng)一排或幾排風(fēng)扇，便形成了渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī).風(fēng)扇后的氣流一部分進(jìn)入壓氣機(jī)燃燒，另一部分則直接排到空氣中.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分燃?xì)饽芰勘挥脕?lái)帶動(dòng)前端的風(fēng)扇，因此降低了排氣速度，提高了推進(jìn)效率.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不易出現(xiàn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的槳尖會(huì)出現(xiàn)超聲速失速的問(wèn)題，能滿足高亞聲速和超聲速飛行的需要.渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示.

圖4 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.3 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)

把渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇變成直升機(jī)的旋翼，便成了渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，也可簡(jiǎn)稱為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī).渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，也有進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管，但它一般裝有自由渦輪.前面的兩級(jí)是普通渦輪，帶動(dòng)壓氣機(jī)維持發(fā)動(dòng)機(jī)的工作.后面的兩級(jí)是自由渦輪，燃?xì)庠谄渲凶龉?，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)直升機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn).渦輪流出來(lái)的燃?xì)饨?jīng)尾噴管?chē)姵?，可產(chǎn)生一定的推力.渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口只能向后，而渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口可以向上、向下以及向兩側(cè)，這有理由總體安排直升機(jī)的設(shè)計(jì).

渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與旋翼配合，構(gòu)成了直升機(jī)的動(dòng)力裝置.活塞發(fā)動(dòng)機(jī)此前也是直升機(jī)常用的動(dòng)力裝置.與之相比，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率重量比要大得多，所產(chǎn)生的功率也大得多.然而它的制造難度較大、制造成本較高.渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示.

圖5 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.4 螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)由一副螺旋槳和一風(fēng)扇以及燃?xì)獍l(fā)生器組成.結(jié)合了渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高速性能和渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，介于二者之間，也稱為槳扇發(fā)動(dòng)機(jī).槳扇由渦輪驅(qū)動(dòng)，無(wú)涵道外殼，裝有減速器.它的直徑比普通螺旋槳小，葉片數(shù)目也多.與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相比，螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片既薄且寬，葉形前緣尖銳并帶有后掠，提高了可用速度，跨聲速性能也好得多.缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)速較高產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲也較大，在舒適性上來(lái)說(shuō)不夠理想［5］.螺旋槳風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示.

圖6 螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與中國(guó)航空事業(yè)

2001年9月9日，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)試飛在中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院圓滿完成，它標(biāo)志著我國(guó)第一臺(tái)完全自行設(shè)計(jì)研制、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)誕生了.從這一天起，中國(guó)成為世界上除美、俄、英、法外第五個(gè)可以獨(dú)立研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家，自此我國(guó)戰(zhàn)機(jī)終于有了“中國(guó)心”.

然而，國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展依然任重道遠(yuǎn).國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)是我國(guó)航空史上的一次驕人突破，但C919使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是CFM公司提供的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由于CFM公司拒絕技術(shù)轉(zhuǎn)讓，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司選擇自主研發(fā)長(zhǎng)江發(fā)動(dòng)機(jī)CJ1000作為預(yù)備發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2018年在上海點(diǎn)火成功，預(yù)計(jì)在2023年左右可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn).