现代涡轮喷气发动机的物理原理

许 硕 袁海泉

（苏州大学物理科学与技术学院 江苏 苏州 215006）

国产C919大飞机实现了中国人的大飞机梦.飞行器发动机被称为飞行器的心脏，为飞行器提供推进动力或支持力.涡喷发动机在活塞发动机的基础上有所改进，又是涡扇、涡桨、涡轴、桨扇等常见航空发动机的改进基础.因此，了解涡喷发动机也就能更好地理解航空发动机.

在国产航空工业发展的时代背景下，用高中物理知识通俗易懂地向学生介绍涡轮喷气发动机，做到“物理·技术·社会”的落实，可以增加学生对航空知识的兴趣.

1 涡轮喷气发动机的产生

喷气发动机工作时从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，这个过程中发动机向气体施加力.根据牛顿第三定律，作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力.此时，气体给发动机也施加了一个反作用力，推动飞机向前飞行.这就是喷气发动机的推进原理.

20世纪30年代末，飞机的飞行速度可达700～800 km／h，高度达到10 000 m以上.与此同时，工程师们发现即使提高发动机的功率，也不能明显提高飞行速度，二战之前流行的活塞式发动机已经不能满足螺旋桨飞机的要求.因此，螺旋桨和活塞式发动机的推进模式已经不能进一步提高飞行性能，需要新型号的发动机产生.此时，螺旋桨也暴露出了它的弱点.桨叶叶尖与空气的相对速度已接近音速，并产生冲波，形成跨声速流场，使效率降低，从而导致推力下降.而螺旋桨的迎风面积较大，阻力也就越大，飞行高度越高，大气更加稀薄，活塞式发动机的功率急剧下降.这意味着仅仅改进发动机已经不够了，必须改变推进方式才能进一步提高速度［1］.

1929年末，英国皇家空军飞行教官弗兰克·惠特尔想到将哈里斯推进系统中的活塞发动机去掉，用涡轮取代.大约在1933年，德国哥廷根大学学生汉斯·冯·俄海因也提出了类似设想.这种设想第一次把涡轮和喷气推进两个独立研究的技术“合二为一”，被认为是涡轮喷气发动机原理诞生的标志［2］.惠特尔在1930年获得了涡轮喷气发动机的专利，但到了1941年，他设计和研制的发动机才第一次试飞成功，这次成功的实践形成了现代涡轮喷气发动机的基础.

2 涡轮喷气发动机的结构和工作原理

涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室.涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，遵循热机工作的物理原理：在高压下输入能量，低压下释放能量.因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这4个阶段，不同的是，在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的，气体依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动机的4个工作位置.

2.1 活塞式发动机的工作原理

活塞式发动机大多是四冲程发动机，即活塞在气缸内要经过4个冲程完成一个工作循环，依次是进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程.

进气冲程是指将外界空气吸入气缸内部的过程，其目的是为燃料燃烧提供充足的氧气.此时发动机开始工作，气缸的进气门打开、排气门关闭.随着活塞位置的逐渐下移，气缸内容积逐渐增大，由理想气体方程pV=nRT可知此时气缸内的压力降低——低于外界大气压，从而产生了人们常说的真空吸力.在内外气压差的作用下，外界空气源源不断被吸进气缸.直至活塞移动到下止点，此时在配气机构的配合下，进气门关闭，进气冲程结束.

当进气冲程结束后，由于惯性作用飞轮继续快速转动，并带动曲轴继续旋转推动活塞.把活塞由下止点推动向上止点运动.进气门和排气门同样处于关闭状态，气缸环境处于密闭中.活塞向上移动，气缸内部容积逐渐减小，混合气体被压缩，由理想气体方程可知，此时气体压力和温度随着体积的减少而逐渐升高.当活塞移动到上止点时，混合气体被压缩在燃烧室这个小空间内，这时压强大大提高，燃烧后的做功能力也大大增强，发动机产生的功率也更大，压缩冲程结束.

当压缩冲程即将结束，活塞接近上止点，汽缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，此时缸内温度极高，混合气体被点燃并迅速燃烧，释放大量热能，气体剧烈膨胀，压力迅速增高，推动活塞向下止点迅速运动，推动连杆也向下运动并通过连杆使曲轴转起来，从而带动飞轮旋转，将热能转变为曲轴旋转的机械能.此冲程也是使发动机获得动力的唯一冲程.当活塞移动到下止点时，做功冲程结束.

做功冲程结束后，曲轴在飞轮的惯性作用带动下继续旋转，活塞由下止点向上运动，此时进气门关闭，排气门开启，气缸中燃烧后的废气通过排气门排出气缸.当活塞到达上止点时，大部分废气已被排出，然后排气门关闭，排气冲程结束［3］.至此，一个“循环”里的4个冲程全部结束，又开始了新的一次循环.

图1 活塞发动机结构原理示意图

2.2 涡轮喷气发动机的工作原理

空气首先从发动机的进气道进入，当流过进气道后的压气机时，压气机的工作叶片对气流做功，从而提高气流的压力并使气流的温度升高.压气机之后是燃烧室，向升压后的气体喷入燃油进行燃烧，产生了高温高压的高能燃气［4］.

高温高压燃气从燃烧室中流出，继续流向涡轮，涡轮和压气机装配在同一条轴上.燃气在涡轮中膨胀，部分内能转化为机械能，带动压气机旋转.在涡轮喷气发动机中，处于平衡状态时，气流在涡轮中膨胀所做的功等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功.经过燃烧后，涡轮进口处的燃气能量显著增加，涡轮中气流的膨胀比远大于在压气机中的压缩比，涡轮出口处气体的压力和温度都远高于压气机进口处，这部分燃气的能量也成为发动机的推力.

高温高压燃气从涡轮中流出后在尾喷管中继续膨胀，燃气此时的速度比气流进入发动机的速度大得多，并沿发动机轴向从喷口向后排出，使发动机获得了反作用的推力.涡轮喷气发动机的结构原理如图2所示.

图2 涡轮喷气发动机结构原理示意图

3 涡轮喷气发动机的发展和改进

随着喷气技术的发展，涡轮喷气发动机也不能满足飞行要求，为提高效率，人们在涡轮喷气发动机的基础上进行了改进，诞生了多种型号的发动机.

3.1 涡轮螺旋桨发动机

把涡轮喷气发动机改成轴功输出，外接螺旋桨推进，便形成了涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机.涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动.

与活塞式发动机加螺旋桨相比，涡轮螺旋桨发动机有很多优点.一是功率大，功率重量比也大.二是运转稳定性好，增加了工作寿命，降低了维修费用.三是虽然二者的耗油率差不多，但涡桨发动机使用的是比活塞发动机使用的汽油更加便宜的煤油，这也降低了经济成本.涡轮螺旋桨发动机的结构原理如图3所示.

图3 涡轮螺旋桨发动机结构原理示意图

3.2 涡轮风扇发动机

在涡轮喷气发动机的基础上增加几级涡轮，带动一排或几排风扇，便形成了涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机.风扇后的气流一部分进入压气机燃烧，另一部分则直接排到空气中.涡扇发动机的一部分燃气能量被用来带动前端的风扇，因此降低了排气速度，提高了推进效率.涡扇发动机不易出现涡桨发动机的桨尖会出现超声速失速的问题，能满足高亚声速和超声速飞行的需要.涡轮风扇发动机的结构原理如图4所示.

图4 涡轮风扇发动机结构原理示意图

3.3 涡轮轴发动机

把涡轮风扇发动机的风扇变成直升机的旋翼，便成了涡轮轴发动机，也可简称为涡轴发动机.涡轴发动机的构造和涡轮喷气发动机类似，也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管，但它一般装有自由涡轮.前面的两级是普通涡轮，带动压气机维持发动机的工作.后面的两级是自由涡轮，燃气在其中做功，通过传动轴带动直升机的旋翼旋转.涡轮流出来的燃气经尾喷管喷出，可产生一定的推力.涡轮喷气发动机的喷口只能向后，而涡轴发动机的喷口可以向上、向下以及向两侧，这有理由总体安排直升机的设计.

涡轮轴发动机与旋翼配合，构成了直升机的动力装置.活塞发动机此前也是直升机常用的动力装置.与之相比，涡轮轴发动机的功率重量比要大得多，所产生的功率也大得多.然而它的制造难度较大、制造成本较高.涡轮轴发动机的结构原理如图5所示.

图5 涡轮轴发动机结构原理示意图

3.4 螺旋桨风扇发动机

螺旋桨风扇发动机由一副螺旋桨和一风扇以及燃气发生器组成.结合了涡轮风扇发动机的高速性能和涡轮螺旋桨发动机的经济性，介于二者之间，也称为桨扇发动机.桨扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器.它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多.与涡轮螺旋桨发动机相比，螺旋桨风扇发动机的叶片既薄且宽，叶形前缘尖锐并带有后掠，提高了可用速度，跨声速性能也好得多.缺点是由于转速较高产生的振动和噪声也较大，在舒适性上来说不够理想［5］.螺旋桨风扇的发动机结构示意如图6所示.

图6 螺旋桨风扇发动机结构示意图

4 涡轮喷气发动机与中国航空事业

2001年9月9日，国产首台涡轮喷气发动机试飞在中国飞行试验研究院圆满完成，它标志着我国第一台完全自行设计研制、具有自主知识产权的涡轮喷气发动机诞生了.从这一天起，中国成为世界上除美、俄、英、法外第五个可以独立研制高性能航空发动机的国家，自此我国战机终于有了“中国心”.

然而，国产航空发动机的发展依然任重道远.国产C919大飞机是我国航空史上的一次骄人突破，但C919使用的发动机是CFM公司提供的大涵道比涡扇发动机，由于CFM公司拒绝技术转让，中国航空发动机公司选择自主研发长江发动机CJ1000作为预备发动机，并于2018年在上海点火成功，预计在2023年左右可以实现量产.