科普百篇系列（215）

航空發動機的改進（一）

——活塞型和渦噴型發動機

徐長發，華中科技大學，2023.7.25.

航空發動機在不斷地演進，本文僅介紹關於設計思想方面的改進過程。

一．活塞內燃發動機

自從活塞內燃機出現後，人們就設法將其用於飛機的動力裝置。最早的飛機一直采用‘活塞內燃發動機’。

1.活塞內燃發動機的工作原理

和汽車的活塞內燃機一樣，航空的活塞發動機也是四沖程發動機。

四沖程發動機工作循環示意圖

進氣行程

活塞從汽缸的頂部運動到底部，進氣門打開、排氣門閉合。此時汽缸內的壓強小於外界大氣壓強，汽化的燃料和氧氣的混合氣體被順利吸入氣缸中。

壓縮行程

曲軸通過慣性帶動活塞，自底部運動到頂部，壓縮混合氣體。氣體的體積減小瞭但是溫度升高瞭，為下一步做功沖程（更好的燃燒）做準備。氣體的壓縮比越大（混合氣體被壓縮的越厲害），活塞發動機的工作效率越高。

做功行程

這是唯一使活塞發動機獲得動力的過程。混合氣體在壓縮的最高點（死點）被電火花點燃，氣體瞬間膨脹將活塞向下推動，進而通過聯桿和曲軸帶動驅動軸轉動。

排氣過程

曲軸通過慣性帶動活塞，自低部運動到頂部，進氣門閉合、排氣門打開。此時氣缸內的壓強大於外界壓強，廢氣被排出。

往復式活塞發動機通過聯桿和曲軸將往復運動轉變為圓周運動，從而可以帶動螺旋槳轉動，獲得向前飛行的動力。

2.活塞內燃發動機的改進

為瞭讓活塞帶動曲軸更快更順滑，動力更強勁，在民用（如船舶、汽車的動力）中一般采用多氣缸‘直列式’佈置，在航空飛機中一般采用多氣缸‘V型’佈置和‘星型’佈置。

示意圖，圖從左到右：6缸直列式發動機、6缸V型發動機、10缸星型發動機 星型發動機帶動螺旋槳示意圖

活塞內燃發動機的優化工作，其主要目的在於得到更加協調的燃燒時刻和燃燒速度，其花費的工作大量集中在對於進氣道，燃燒室，活塞頂，噴油器等部件的設計開發方面。

後來，航空工程師們還發明瞭一種‘旋轉活塞式’發動機。

示意圖，旋轉活塞式發動機結構

轉子發動機的氣缸內裝著‘弧邊’的‘三角形’的活塞，混合燃料霧氣先進入較大的吸氣室，三角活塞將進氣旋轉壓縮到燃燒室，燃燒驅動三角活塞轉動，排氣。

轉子發動機的顯著特點就是沒有瞭聯桿和曲軸，發動機直接將燃氣熱能轉化為旋轉的機械能，運轉平穩，振動及噪音小，零件少重量輕體積小。

但是，轉子發動機缺點也很明顯：發動機轉子的制造工藝要求高，氣體壓縮比小，燃料的利用效率不高，所以這種設計思想至今沒有被廣泛應用。

二．渦噴氣發動機

航空工程師們對航空發動機的追求目標一直是：動力強，重量輕，飛行速度快。於1930年有人提出瞭渦噴發動機的概念，這是一個全新的概念，不過直到1941年才實現瞭試飛。

1. 渦噴發動機的基本構造和工作原理

渦噴發動機結構示意圖

渦噴發動機最前端是一組葉片構成的‘壓氣機’，又稱為‘增壓渦輪’；冷啟動時壓氣機由外部動力帶動，用於將空氣壓縮後泵入燃燒室；壓縮空氣進入燃燒室與註入的燃料混合成霧狀後被點燃；膨脹的氣體高速湧向後方的‘減壓渦輪’；被推動的‘減壓渦輪’一方面可以引導膨脹的氣體高速地從排氣口噴出，對發動機形成反推力，另一方面‘減壓渦輪’和‘增壓渦輪’是同軸連接的，發動機啟動後會帶動‘增壓渦輪’更加高速地轉動，進一步提高空氣壓縮效率，提高燃燒效率和噴流的推動力。

渦噴發動機隻要持續註入燃料就可以連續工作；壓氣機壓縮效率越高，供燃燒膨脹的空氣總量越大，燃燒效率越高，從噴嘴噴出的氣流越強，推力越大；‘增壓渦輪’和‘減壓渦輪’還構成一個正向的、自反饋的、連續的工作循環。

穩定工作狀態下，渦噴發動機壓縮空氣的效率是一個重要指標，決定瞭進氣總量的大小。早期渦噴發動機的壓縮比大概在5:1左右，現代民用渦噴發動機的壓縮比已經達到44:1以上瞭。

與活塞式發動機相比，渦噴發動機最大的優點在於體積小、機械結構簡單；在同等輸出功率的條件下，渦噴發動機整體體積隻有活塞式發動機的五分之一到十分之一；在同樣的體積和重量下，渦噴發動機可以提供遠高於活塞發動機的功率輸出。要知道，體積、重量和推進力對於航空飛機而言是意義重大的指標。

2．渦輪風扇發動機

工程師們還在‘增壓渦輪’前面裝置於一個面積較大的風扇，下面是渦扇發動機的結構示意圖。

渦輪鳳扇發動機工作原理示意圖

如圖所示，如果把渦扇發動機與渦噴發動機在結構方面比較，其不同在於，一是在前部增加瞭一個渦扇，二是多瞭一些壓氣渦輪。

渦扇有什麼用？由上圖可見，上涵道的氣流可以降低發動機的溫度，還可以增加尾部的推力。

渦扇發動機和渦噴發動機在應用方面有什麼區別？如果為瞭提高能量效率，那麼應該使用渦扇發動機，所以民航一般都采用渦扇發動機；如果像戰鬥機那樣為瞭追求速度，那麼渦扇就是累贅瞭，應該使用渦噴發動機。

渦扇發動機的飛行速度一般不超過音速；渦噴發動機的飛行速度可以超過音速。

三．將渦噴發動機改進為超音速發動機

對於渦噴發動機來說，要增大推進力，應該從哪幾個方面考慮問題呢？

為瞭對軍用戰機進一步提高推進力，工程師們在加大進氣壓縮比的同時，在渦輪發動機燃燒室後方再增設一個‘加力燃燒室’。其原理是，用於高速飛行，進氣渦輪過多地壓進空氣，經過燃燒後排出的氣流中仍有部分氧氣未被使用，‘加力燃燒室’正好再次燃燒加力，可以提升最高50%的推力。用這種發動機，飛行速度很容易超過音速。

帶加力燃燒室的渦噴發動機結構示意圖

渦輪發動機的主要技術難點在於，要得到更加協調的燃燒時刻和燃燒速度，其優化工作，大量集中在對於噴油器、點火器、燃燒室，噴氣室等部件的設計開發方面。