現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的物理原理

許 碩 袁海泉

（蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006）

國產(chǎn)C919大飛機實現(xiàn)了中國人的大飛機夢.飛行器發(fā)動機被稱為飛行器的心臟，為飛行器提供推進動力或支持力.渦噴發(fā)動機在活塞發(fā)動機的基礎上有所改進，又是渦扇、渦槳、渦軸、槳扇等常見航空發(fā)動機的改進基礎.因此，了解渦噴發(fā)動機也就能更好地理解航空發(fā)動機.

在國產(chǎn)航空工業(yè)發(fā)展的時代背景下，用高中物理知識通俗易懂地向學生介紹渦輪噴氣發(fā)動機，做到“物理·技術·社會”的落實，可以增加學生對航空知識的興趣.

1 渦輪噴氣發(fā)動機的產(chǎn)生

噴氣發(fā)動機工作時從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，這個過程中發(fā)動機向氣體施加力.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，氣體給發(fā)動機也施加了一個反作用力，推動飛機向前飛行.這就是噴氣發(fā)動機的推進原理.

20世紀30年代末，飛機的飛行速度可達700～800 km／h，高度達到10 000 m以上.與此同時，工程師們發(fā)現(xiàn)即使提高發(fā)動機的功率，也不能明顯提高飛行速度，二戰(zhàn)之前流行的活塞式發(fā)動機已經(jīng)不能滿足螺旋槳飛機的要求.因此，螺旋槳和活塞式發(fā)動機的推進模式已經(jīng)不能進一步提高飛行性能，需要新型號的發(fā)動機產(chǎn)生.此時，螺旋槳也暴露出了它的弱點.槳葉葉尖與空氣的相對速度已接近音速，并產(chǎn)生沖波，形成跨聲速流場，使效率降低，從而導致推力下降.而螺旋槳的迎風面積較大，阻力也就越大，飛行高度越高，大氣更加稀薄，活塞式發(fā)動機的功率急劇下降.這意味著僅僅改進發(fā)動機已經(jīng)不夠了，必須改變推進方式才能進一步提高速度［1］.

1929年末，英國皇家空軍飛行教官弗蘭克·惠特爾想到將哈里斯推進系統(tǒng)中的活塞發(fā)動機去掉，用渦輪取代.大約在1933年，德國哥廷根大學學生漢斯·馮·俄海因也提出了類似設想.這種設想第一次把渦輪和噴氣推進兩個獨立研究的技術“合二為一”，被認為是渦輪噴氣發(fā)動機原理誕生的標志［2］.惠特爾在1930年獲得了渦輪噴氣發(fā)動機的專利，但到了1941年，他設計和研制的發(fā)動機才第一次試飛成功，這次成功的實踐形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的基礎.

2 渦輪噴氣發(fā)動機的結構和工作原理

渦輪噴氣發(fā)動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室.渦輪噴氣發(fā)動機仍屬于熱機的一種，遵循熱機工作的物理原理：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)動機和活塞式發(fā)動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這4個階段，不同的是，在活塞式發(fā)動機中這4個階段是分時依次進行的，但在噴氣發(fā)動機中則是連續(xù)進行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機的各個部分，就對應著活塞式發(fā)動機的4個工作位置.

2.1 活塞式發(fā)動機的工作原理

活塞式發(fā)動機大多是四沖程發(fā)動機，即活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過4個沖程完成一個工作循環(huán)，依次是進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程.

進氣沖程是指將外界空氣吸入氣缸內(nèi)部的過程，其目的是為燃料燃燒提供充足的氧氣.此時發(fā)動機開始工作，氣缸的進氣門打開、排氣門關閉.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氣缸.直至活塞移動到下止點，此時在配氣機構的配合下，進氣門關閉，進氣沖程結束.

當進氣沖程結束后，由于慣性作用飛輪繼續(xù)快速轉動，并帶動曲軸繼續(xù)旋轉推動活塞.把活塞由下止點推動向上止點運動.進氣門和排氣門同樣處于關閉狀態(tài)，氣缸環(huán)境處于密閉中.活塞向上移動，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，此時氣體壓力和溫度隨著體積的減少而逐漸升高.當活塞移動到上止點時，混合氣體被壓縮在燃燒室這個小空間內(nèi)，這時壓強大大提高，燃燒后的做功能力也大大增強，發(fā)動機產(chǎn)生的功率也更大，壓縮沖程結束.

當壓縮沖程即將結束，活塞接近上止點，汽缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，此時缸內(nèi)溫度極高，混合氣體被點燃并迅速燃燒，釋放大量熱能，氣體劇烈膨脹，壓力迅速增高，推動活塞向下止點迅速運動，推動連桿也向下運動并通過連桿使曲軸轉起來，從而帶動飛輪旋轉，將熱能轉變?yōu)榍S旋轉的機械能.此沖程也是使發(fā)動機獲得動力的唯一沖程.當活塞移動到下止點時，做功沖程結束.

做功沖程結束后，曲軸在飛輪的慣性作用帶動下繼續(xù)旋轉，活塞由下止點向上運動，此時進氣門關閉，排氣門開啟，氣缸中燃燒后的廢氣通過排氣門排出氣缸.當活塞到達上止點時，大部分廢氣已被排出，然后排氣門關閉，排氣沖程結束［3］.至此，一個“循環(huán)”里的4個沖程全部結束，又開始了新的一次循環(huán).

圖1 活塞發(fā)動機結構原理示意圖

2.2 渦輪噴氣發(fā)動機的工作原理

空氣首先從發(fā)動機的進氣道進入，當流過進氣道后的壓氣機時，壓氣機的工作葉片對氣流做功，從而提高氣流的壓力并使氣流的溫度升高.壓氣機之后是燃燒室，向升壓后的氣體噴入燃油進行燃燒，產(chǎn)生了高溫高壓的高能燃氣［4］.

高溫高壓燃氣從燃燒室中流出，繼續(xù)流向渦輪，渦輪和壓氣機裝配在同一條軸上.燃氣在渦輪中膨脹，部分內(nèi)能轉化為機械能，帶動壓氣機旋轉.在渦輪噴氣發(fā)動機中，處于平衡狀態(tài)時，氣流在渦輪中膨脹所做的功等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功.經(jīng)過燃燒后，渦輪進口處的燃氣能量顯著增加，渦輪中氣流的膨脹比遠大于在壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處氣體的壓力和溫度都遠高于壓氣機進口處，這部分燃氣的能量也成為發(fā)動機的推力.

高溫高壓燃氣從渦輪中流出后在尾噴管中繼續(xù)膨脹，燃氣此時的速度比氣流進入發(fā)動機的速度大得多，并沿發(fā)動機軸向從噴口向后排出，使發(fā)動機獲得了反作用的推力.渦輪噴氣發(fā)動機的結構原理如圖2所示.

圖2 渦輪噴氣發(fā)動機結構原理示意圖

3 渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)展和改進

隨著噴氣技術的發(fā)展，渦輪噴氣發(fā)動機也不能滿足飛行要求，為提高效率，人們在渦輪噴氣發(fā)動機的基礎上進行了改進，誕生了多種型號的發(fā)動機.

3.1 渦輪螺旋槳發(fā)動機

把渦輪噴氣發(fā)動機改成軸功輸出，外接螺旋槳推進，便形成了渦輪螺旋槳發(fā)動機，簡稱渦槳發(fā)動機.渦輪螺旋槳發(fā)動機由螺旋槳和燃氣發(fā)生器組成，螺旋槳由渦輪帶動.

與活塞式發(fā)動機加螺旋槳相比，渦輪螺旋槳發(fā)動機有很多優(yōu)點.一是功率大，功率重量比也大.二是運轉穩(wěn)定性好，增加了工作壽命，降低了維修費用.三是雖然二者的耗油率差不多，但渦槳發(fā)動機使用的是比活塞發(fā)動機使用的汽油更加便宜的煤油，這也降低了經(jīng)濟成本.渦輪螺旋槳發(fā)動機的結構原理如圖3所示.

圖3 渦輪螺旋槳發(fā)動機結構原理示意圖

3.2 渦輪風扇發(fā)動機

在渦輪噴氣發(fā)動機的基礎上增加幾級渦輪，帶動一排或幾排風扇，便形成了渦輪風扇發(fā)動機，簡稱渦扇發(fā)動機.風扇后的氣流一部分進入壓氣機燃燒，另一部分則直接排到空氣中.渦扇發(fā)動機的一部分燃氣能量被用來帶動前端的風扇，因此降低了排氣速度，提高了推進效率.渦扇發(fā)動機不易出現(xiàn)渦槳發(fā)動機的槳尖會出現(xiàn)超聲速失速的問題，能滿足高亞聲速和超聲速飛行的需要.渦輪風扇發(fā)動機的結構原理如圖4所示.

圖4 渦輪風扇發(fā)動機結構原理示意圖

3.3 渦輪軸發(fā)動機

把渦輪風扇發(fā)動機的風扇變成直升機的旋翼，便成了渦輪軸發(fā)動機，也可簡稱為渦軸發(fā)動機.渦軸發(fā)動機的構造和渦輪噴氣發(fā)動機類似，也有進氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管，但它一般裝有自由渦輪.前面的兩級是普通渦輪，帶動壓氣機維持發(fā)動機的工作.后面的兩級是自由渦輪，燃氣在其中做功，通過傳動軸帶動直升機的旋翼旋轉.渦輪流出來的燃氣經(jīng)尾噴管噴出，可產(chǎn)生一定的推力.渦輪噴氣發(fā)動機的噴口只能向后，而渦軸發(fā)動機的噴口可以向上、向下以及向兩側，這有理由總體安排直升機的設計.

渦輪軸發(fā)動機與旋翼配合，構成了直升機的動力裝置.活塞發(fā)動機此前也是直升機常用的動力裝置.與之相比，渦輪軸發(fā)動機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)動機的結構原理如圖5所示.

圖5 渦輪軸發(fā)動機結構原理示意圖

3.4 螺旋槳風扇發(fā)動機

螺旋槳風扇發(fā)動機由一副螺旋槳和一風扇以及燃氣發(fā)生器組成.結合了渦輪風扇發(fā)動機的高速性能和渦輪螺旋槳發(fā)動機的經(jīng)濟性，介于二者之間，也稱為槳扇發(fā)動機.槳扇由渦輪驅動，無涵道外殼，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)動機相比，螺旋槳風扇發(fā)動機的葉片既薄且寬，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.缺點是由于轉速較高產(chǎn)生的振動和噪聲也較大，在舒適性上來說不夠理想［5］.螺旋槳風扇的發(fā)動機結構示意如圖6所示.

圖6 螺旋槳風扇發(fā)動機結構示意圖

4 渦輪噴氣發(fā)動機與中國航空事業(yè)

2001年9月9日，國產(chǎn)首臺渦輪噴氣發(fā)動機試飛在中國飛行試驗研究院圓滿完成，它標志著我國第一臺完全自行設計研制、具有自主知識產(chǎn)權的渦輪噴氣發(fā)動機誕生了.從這一天起，中國成為世界上除美、俄、英、法外第五個可以獨立研制高性能航空發(fā)動機的國家，自此我國戰(zhàn)機終于有了“中國心”.

然而，國產(chǎn)航空發(fā)動機的發(fā)展依然任重道遠.國產(chǎn)C919大飛機是我國航空史上的一次驕人突破，但C919使用的發(fā)動機是CFM公司提供的大涵道比渦扇發(fā)動機，由于CFM公司拒絕技術轉讓，中國航空發(fā)動機公司選擇自主研發(fā)長江發(fā)動機CJ1000作為預備發(fā)動機，并于2018年在上海點火成功，預計在2023年左右可以實現(xiàn)量產(chǎn).