
目前还在应用的航空发动机共七大类:活塞式,转子式,涡轮喷气式,涡轮风扇式,涡轮螺旋桨式,涡轮轴式和桨扇式。
活塞式发动机是最早应用的航空发动机,由于经济性好,构造简单,体积小,目前在小型飞机或农业飞机上仍在运用,如国产初教六和运五,这也是一种四冲程热机,由于转速不高,应用面较窄。
转子发动机是一种比较独特的发动机,它是由一个三角形的偏心转子在气缸中把气缸隔成三个燃烧室,转子旋转一圈,由于转子偏心的缘故,燃烧室容积变化一次,完成一次进气,压缩,作功与排气过程。因为不像活塞式活塞往复运动有惯性作用限制了转速提高,转子发动机转速极高,但由于功率不高,一般只应用于小型无人机或靶机上。
涡喷发动机是最早的喷气式发动机,它是把高温高压燃气向后高速喷出获得反推力,同时驱动排气通道内的涡轮,由涡轮带动同轴的位于进气通道内的压气机,提高燃烧室内气压,增加工质,获得更高的热值,提高推力,第一代和第二代战斗机以这种发动机为主要动力,特点是高速飞行时,效率高,但低速飞行时性能很差,由于排气温度高,热效很低,现在基本属于淘汰的边缘。
涡扇发动机是在涡喷发动机的压气机前再加两级或更多的风扇,外层再包裹形成外涵道,与经过燃烧室的内涵道形成双涵道。由于一部分推力由通过风扇加速的经过外涵道的冷空气提供,所以排气温度低,热效率高,能提供较大的推力戚和,目前十吨以上级的大推发动机全部为涡扇式,特点是无论是高速飞行还是低速飞行,都能提供突出的动力性能。战斗机用发动机涵道比(即流经外涵道与流经内涵道的空气量的比值)较小,常采用内外涵混合排气带加力发动机,因为外涵道流过来的是新鲜的工质,因此含侍枝氧丰富,理论加力燃烧室提供的额外推力要比涡喷发动机高得多。大型客机运输机等则采用大涵道比分离排气发动机,没有加力燃烧室,这种发动机噪音小,有的甚至低于110dB,是现代航空发动机的主流。
涡桨发动机是把涡轮吸收的高温高压燃气作的功全部用于螺旋桨,由于热损失最低,所以效率高,经济性最好,但高速性差,飞机无法实现超音速飞行,但低速飞行性能优异,不过噪音很大,常用于中型运输机。
涡轴发动机就是把水平的螺旋桨设计成垂直的旋翼,原理与涡桨类似,也是把燃气功全部通过涡轮传给桨叶,主要用于直升机,不赘述。
桨扇发动机是一种奇特的发动机,它是高谈盯把涡扇发动机的外涵道设计成开放式,让风扇直接暴露在外的发动机,既能够拥有螺旋桨飞机的经济性又拥有涡扇发动机的大推力。但采用这种发动机的飞机不多,仅俄罗斯开发过,如An-70运输机,采用了四台D-27桨扇发动机,每台发动机压气机前有两级对转桨扇,效率比伊尔76飞机所使用的PS-90A-76发动机高15%。
涡喷、涡扇和涡桨的主要区别在于发动机的推力组成不同。
涡喷最简单,根据牛顿第三定律――作用力等于反作用力,涡喷发动机把燃烧后的高温高压气流以很高的速度排出喷管,相应地获得一个向前的推力。涡扇和涡桨就复杂一点了,其推力组成除了喷管排气的推力,还要加上前面风扇或螺旋桨向后吹风产生的拉力。
更详细地说起来,就不能不提到我们平常所说的“涡喷费油,涡扇次之,涡桨省油”。为什么这么说呢?如前所述,涡喷发动机的推力是由喷管排气产生的,但是排出的这股气流还有很高的速度、温度和压力。当气流喷出喷管后,其中残余的热能、动能和压力能就不能对发动机总推力有任何贡献,所以浪费了燃油,这种浪费是十分惊人的。涡喷发动机的优点在于:一方面,由于其迎风面积小,故总体阻力较小,雷达反射面积也相应减少,适合应用于主要在地面引导下遂行国土防空任务的高空高速截击机上。另一方面,随着超视距空战的发展,对战斗机高速巡航性能的重视又有所回升,而阻力较小的涡喷飞机可以较容易地实现超音速巡航。
涡扇发动机则不同。设计师们在涡扇发动机上采取了几点措施,有效地利用了排气中的残余能量。首先,在发动机前部设置风扇,利用风扇排气产生推力。这个风扇需要由后边的涡轮驱动,当燃气冲击涡轮,驱动前部风扇的时候,由于其对涡轮做功,气流的温度、速度和压力都有所下降,这就降低了排气的能量损失。其次,在军用涡扇发动机上,外涵道来流(风扇排气)在加力燃烧室与高温燃气混合,被其加热、加速、增压,混合后排气的总体温度、速度和压力进一步下降,但此时的总排气质量上升,大幅度增加了总推力。在目前,只要设计上需要,涡喷发动机能达皮扮到的技术指标,涡扇发动机几乎都能达到,由于耗油率显著降低,在航程上又具有涡喷发动机无法比拟的巨大优势,所以当今世界上的先进战斗机均采用小涵道比的大推力涡扇发动机。
涡桨发动机的经济性更好。在涡桨发动机的推力构成中,发动机排气产生的推力微乎其微,甚至不到总推力的10%,燃烧室来的燃气能量几乎全部用来驱动前部的压气机和大直径螺旋桨。于是,总体排气的温度、压力都很低,甚至同周围环境中的大气的温度压力区别不大。同涡喷、涡扇相比,排气速度也大幅下降,总排气质量进一步提高。于是,涡桨发动机最省油。但是涡桨为什么没有取代涡扇,成为主流选择呢?这是因为涡桨发动机存在难以弥补的先天缺陷:飞行速度不能太高,不可能超过音燃晌灶速。了解空气动力学的朋友都知道,任何飞行器在接近音速的时候会遇到一个巨大的难题――音障。当使用涡桨发动机的飞机时速达到700~900千米时,由于螺旋桨的直径较大,桨尖的线速度就会接近甚至超过音速,于是出现巨大的噪音、阻力和振动,甚至会导致发动机空中解体。音障的问题可以通过使用大后掠角桨叶的方法得到部分缓解,但无法最终解决。同时,由于涡桨发动机的巨大迎风面积,相应的阻力也十分巨大。因此,涡桨发动机目前只在对速度和机动性要求不高的运输机和轰炸机谨手上采用。