航空涡轮发动机中的物理学

徐劳立 刘宇星 王 越

(北京工业大学数理学院， 北京 100124)

航空涡轮发动机中的物理学

徐劳立 刘宇星 王 越

(北京工业大学数理学院， 北京 100124)

航空发动机的技术含量密集而难度高，其制造水平是一个国家工业技术水平的重要标志。航空动力主要使用燃气涡轮发动机，本文简要描述了航空涡轮发动机的结构类型和特性，运用热力学和流体力学的基础理论解释了几种航空涡轮发动机的结构演化，并介绍了航空涡轮发动机的关键技术单晶镍基合金叶片，最后给出了我国航空发动机事业的发展概况。

航空涡轮发动机；物理学；单晶镍基合金叶片

在2016年全国两会期间，媒体透露了我国“十三五”规划将实施的100个重大工程及项目，其中的航空发动机及燃气轮机被列于首位。这一消息凸显了作为军用民用飞机动力的航空发动机和作为舰船动力的燃气轮机的重要性，也表明我国在这方面赶超世界先进技术水平的决心。本文从物理角度揭开航空发动机的面纱。

1 航空发动机的类型

航空发动机主要包括活塞、涡扇、涡桨、涡轴发动机和超燃冲压发动机，它们的用途在表1中列出。

表1 常用航空发动机及其用途

活塞式发动机通过活塞的往复运动将燃气的热能转换为驱动螺旋桨旋转的机械能，是早期飞机的主要动力，现在用于一些小功率的轻型飞机、无人机和直升机。

目前的航空发动机中应用最多的是燃气涡轮发动机，其主要类型为：涡轮喷气发动机(Turbojet Engine)、涡轮风扇发动机(Turbofan Engine)、涡轮螺旋桨发动机(Turboprop Engine)和涡轮轴发动机(Turboshaft Engine)等，它们的内部都包含一个结构类似且承载关键技术的“核心机”，由压气机、燃烧室和涡轮机3部分组成。

2 航空涡轮发动机简介

2.1 涡轮喷气发动机[1]

简称 “涡喷发动机”，结构上大致为筒状，前面是进气道，其后依次是压气机、燃烧室、涡轮机以及最后的尾喷管。

涡喷发动机和活塞式发动机的工作原理相似，同样包括进气、压缩、燃烧膨胀作功和排气4个过程，差别在于：活塞式发动机中的4个过程顺序发生在同一个气缸中；而涡喷发动机中的4个过程则顺序发生在前后相邻的4个不同区域。涡喷发动机内气流的定向运动速度要小于大部分气体分子的热运动速度，气体状态的变化可视为准静态过程。涡喷发动机工作时，通过进气道的气流在压气机中逐步升高压强和温度，进入燃烧室后与燃油混合燃烧，高温燃气膨胀冲击涡轮叶片，驱动涡轮机旋转，并带动与涡轮机同轴的压气机工作，在燃烧室前方形成高压屏障，高温高压燃气流向后膨胀对涡轮机做功，后经尾喷口高速排出，提供反冲推力。

2.2 涡轮风扇发动机[2]

简称 “涡扇发动机”。为了提高推进效率，在涡喷发动机的压气机前面增设了一个也由涡轮机驱动的风扇(见图1)，并增加一个同轴外圆筒；气流通过风扇后一分为二，核心机内筒的气流通道称为“内涵道”，其尾部喷出高温燃气；风扇后内筒和外筒之间的气流通道称为“外涵道”。涡扇发动机的动力来自内涵道喷射气流的反冲和外涵道风扇气流的反冲的共同作用，外涵道气流流量与内涵道气流流量之比称为涵道比(Bypass Ratio)，是涡扇发动机设计的重要结构参数。

图1 涡扇发动机结构图

涡轮机内涵道的尾喷管排出的炽热气体的反冲力F内涵道取决于单位时间dt喷出气体的质量dm和速度v的乘积:

(1)

根据气体动理论的统计假设，气体分子向各个方向运动的机会是均等的，在喷出气体分子的动量中，只有沿着发动机轴向向后的动量分量对飞机推进有贡献。涡扇发动机中，燃气分子经过与较多级数的涡轮叶片碰撞，可将高温气体内的更多的热能转化为涡轮机、联动的压气机和风扇系统的机械能，以及外涵道气流的定向动能，这将导致内涵道尾部气流温度的降低。根据卡诺热机理论，卡诺热机效率将随着低温热源的温度T尾喷降低而提高，而各种热机都可视为一系列卡诺热机的组合，所以，与涡喷发动机相比，涡扇发动机提高了热机效率η，可定性表示为

(2)

另一方面，内涵道推力与发动机轴向的气体压强差相关。多级压气机的前级到末级的压强逐级增加，根据不同技术要求，末级与前级的总增压比约在30上下；燃烧室后的涡轮机从前级到末级的压强则逐渐降低；内涵道推力F内涵道主要表现为内涵道尾喷燃气压强p尾喷与涡轮机末级叶片的轴向等效横截面积S的乘积，而热力学理想气体状态方程又指出，气体压强与温度成正比，即

F内涵道=p尾喷S∝T尾喷S

(3)

对照式(2)、(3)可见，降低了尾喷口的燃气温度后，效率的提高与内涵道推力的减小同时发生。而发动机的总推力为内、外涵道气流推力的总和，即

F总=F内涵道+F外涵道

(4)

综合的结果是，效率的提高伴随着总推力的降低，导致了飞机航速的降低。

涡扇发动机采用较大的风扇和外涵道推力来提高效率，这也将增加空气阻力，进一步阻碍飞机航速的提升。根据流体力学理论，运动物体受到的流体阻力与物体的速度u、线度l、流体的粘滞系数η和质量密度ρ有关，当这4个物理量组合的雷诺数R(无量纲数R=luρ/η)远远小于1时，阻力正比于物体的速度与线度的乘积，即

(5)

而飞机起飞时的雷诺数已远远大于1，分析指出，此高速(低于音速)条件下物体所受阻力将正比于物体速度u与线度l乘积的二次幂[3]，

(6)

涡扇发动机受到的阻力将随着风扇尺寸l和飞机速度u的增大而急剧增加。

鉴于上面对涡扇发动机的推力、效率和阻力的讨论，在权衡了效率和航速这两项需求后，可决定涡扇发动机前置风扇的大小。注重节能的大型运输机多采用风扇相对较大的高涵道比(High-Bypass ratio)涡扇发动机，其在略低于音速范围(音速约为1200km/h)时可获得较高的燃油效率，例如：波音747-100宽体客机的涡扇发动机的涵道比为5.2，巡航速度约为1000km/h；而需要较高飞行速度的战斗机则采用风扇相对较小的低涵道比(Low-Bypass ratio)涡扇发动机，例如美国军用飞机F-15的涡扇发动机的涵道比为0.7，最高速度可达2.5马赫(即音速的2.5倍)。

2.3 涡轮螺旋桨发动机[4]

简称“涡桨发动机”，可视为一种超高涵道比的涡扇发动机，其95%以上的推力来自螺旋桨风扇后的气流反冲作用。涡桨发动机适合于更加注重燃油经济性而不追求飞行速度的运输机。如图2所示，涡桨发动机在结构上去除了涡扇发动机的外涵道的外壳，并使用了一个直径更大而叶片较少螺旋桨代替了原有的风扇，并设置了减速器，使螺旋桨的转速降低到涡轮机转速的1/10，以达到最佳的推进效率。涡桨飞机的速度范围在400～800km/h。

图2 涡桨发动机结构图

采用涡桨发动机的飞机有美国的“C-130”大力神运输机、俄罗斯的图-142战略轰炸机，还有我国的“运-8”运输机，等。我国正在建造的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机AG600(蛟龙600)的引擎也是涡桨发动机，将采用国产的“涡桨-6 (WJ6)”发动机，我海军从乌克兰引进的“欧洲野牛”气垫登陆艇装备了5台涡桨发动机，型号为前苏联在20世纪50年代研制的 “NK-12M”， 其起飞功率可达11000kW，是世界上功率最大的涡桨发动机。

涡桨发动机具有体积小、推进效率高和输出功率大等优点，且涡桨发动机的运转稳定性好、噪音小、工作寿命长、维护费用低。与涡扇发动机相比，涡桨发动机的推进效率可提高20%，涡桨型飞机具有较好的地面起飞/着陆性能，起飞滑行距离可减少30%。

2.4 涡轴发动机

涡轴发动机主要用于装备直升飞机，例如：俄罗斯的米-26重型运输直升机、美国的CH-47“支奴干”双螺旋桨运输直升机和V-22“鱼鹰”偏转旋翼机，以及我国国产的“武直-10”等直升飞机。涡轴发动机的结构相当于将涡桨发动机的水平轴螺旋桨改为垂直轴的旋翼，燃气热能的大部分转化为动力轴的机械能，只有少量排气气流以反冲力方式被利用。涡轴发动机也被用来驱动大功率坦克，美国的M1A1坦克和俄罗斯的T-80坦克装备了推重比(发动机推力与发动机重量之比)较高的涡轴发动机。

2.5 超燃冲压发动机[5]

超燃冲压发动机用于导弹等高超声速飞行器，在结构上可将其视为燃气涡轮喷气发动机在高速飞行条件下的简化，其省去了压气机和涡轮机，而仅由进气道、燃烧室和尾喷管组成。

飞机超音速飞行时进气道内气流速度骤然降低，致使压强升高十几倍甚至几十倍，这种冲压作用起到了涡轮发动机中压气机的功效，没有了压气机，驱动压气机的涡轮机也不复存在，燃烧室内高压燃气经过尾喷管直接向后喷射，较高的推力使超燃冲压发动机适合高速高空飞行，但低速性能欠佳且不能自行起动，为此演化出综合燃气涡轮与超燃冲压技术的“串联式涡轮冲压组合发动机”。

3 国产涡扇发动机技术的发展[6-9]

中国的航空发动机事业从一片空白的基础开始。经历了修理、仿制、改进和改型阶段，直至今日可独立研制高性能航空发动机。目前，我国的军用民用飞机所装备的涡扇发动机以及舰船使用的燃气轮机在一定程度上依赖于国外进口。这方面与世界先进技术的差距主要表现在发动机关键材料的性能，其决定了发动机的推力、可靠性和修护周期等重要指标。

航空涡扇发动机的主要关键技术是单晶镍基合金(Single-crystal nickel-based alloys)涡轮叶片的制造。涡扇发动机的涡轮叶片在运转时要承受超过1000℃的高温和250r/s的转速，涡扇发动机叶片应具有良好的抗高温蠕变、抗疲劳和抗断裂等性能。镍基合金高温性能优良，但早期的多晶镍基合金叶片的晶体结构界面处容易发生断裂。目前的涡轮燃气发动机多采用单晶镍基合金叶片，其运用定向凝固叶片成型技术，通过设置适当的固液界面前沿的温度梯度(K/cm)、单晶生长速度(cm/s)和冷却速度(K/s)，控制柱状晶沿着同方向凝固，使合金结晶方向平行于零件的主应力轴，基本或者完全消除垂直于叶片应力轴的横向晶界，其断裂容限可比多晶合金叶片提高1～2个数量级。另外，电磁约束成型、激光快速成型和优化单晶合金的化学成分等先进工艺技术也使单晶镍基合金的力学性能得以改善。

波音747、767装备的发动机采用单晶合金叶片，使用寿命已经超过一万小时。我国近年在这方面已经取得了一些进展，据《中国航空报》2015年的报道：国内的航空发动机复杂型腔单晶叶片核心技术已通过装机前评审， 改变了航空发动机无自主研制单晶叶片的被动局面。随着航空发动机的升级换代，叶片也由过去的锻件、普通铸件叶片升级为技术性能更先进的单晶叶片、单晶空心叶片。

在国家的大力支持下，我国航空发动机研制事业发展迅速，正逐步缩小与国际先进水平的差距，自行研制了一系列涡扇喷气发动机，根据国内主流军事报刊和网站的报道，主要的国产涡扇发动机的型号有：歼轰-7(飞豹)等战斗机装备的WS-9(涡扇9，代号“秦岭”)，歼-10，歼-11，歼-15和歼-16等战斗机装备的WS-10 (代号“太行”)，为中巴联合研制的JF-17“枭龙”战机配套的WS-13(代号“泰山”)，为歼-20等战斗机配套的WS-15(代号“峨眉”)，还有为运-20等大型运输机配套的WS-20系列涡轮风扇发动机等，WS-20的商用型将成为国产大型客机C919 的国产配套发动机。我国制造的新一代隐形战斗机“鹘鹰”FC-31(也被称作“歼-31”)在第十四届迪拜国际航展上亮相，该机型计划在2020年实现量产，并装备我国自行研制的WS-13发动机，这预示出我国航空发动机技术发展的光明前景。

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THE PHYSICS IN AERO TURBINE ENGINE

Xu Laoli Liu Yuxing Wang Yue

(College of Applied Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

The manufacturing level of aero turbine engine, as a high difficult and intensive industry technology, is the symbol of the country’s level of industrial technology. Considering that aircraft is used to be driven by gas turbine engine, this paper introduces briefly the structure types and characteristics of gas turbine engines. The design idea of the structure evolution of several types of gas turbine engines is described by using thermodynamics and fluid mechanics law. Besides of discussing Nickel-based single crystal turbine blade the core technology of the aviation gas turbine engine, the paper introduces the development of China’s aero engine industry.

aero turbine engine; physics; nickel-based single crystal turbine blade

2015-09-24；

2016-05-15

徐劳立，男，教授，主要从事物理教学工作,xulaoli@bjut.edu.cn。

徐劳立，刘宇星，王越. 航空涡轮发动机中的物理学[J]. 物理与工程，2017，27(1)：84-87.