航空發(fā)動機

航空發(fā)動機

航空發(fā)動機(航空發(fā)動機)

航空發(fā)動機（aero-engine），為航空器提供飛行所需動力的發(fā)動機。作為飛機的心臟，被譽為“工業(yè)之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。目前，世界上能夠獨立研制高性能航空發(fā)動機的國家只有美、英、法、俄等少數(shù)幾個國家，技術(shù)門檻很高。

目錄 類型 發(fā)展史 生產(chǎn)商 行業(yè)分析 收縮展開 類型

航空發(fā)動機共有3種類型 活塞式航空發(fā)動機 是早期在飛機或直升機上應(yīng)用的航空發(fā)動機，用于帶動螺旋槳或旋翼。大型活塞式航空發(fā)動機的功率可達2500千瓦。后來為功率大、高速性能好的燃氣渦輪發(fā)動機所取代。但小功率的活塞式航空發(fā)動機仍廣泛地用于輕型飛機、直升機及超輕型飛機。 燃氣渦輪發(fā)動機 這種發(fā)動機應(yīng)用最廣。包括渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機，都具有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪。渦輪螺旋槳發(fā)動機主要用于時速小于800千米的飛機；渦輪軸發(fā)動機主要用作直升機的動力；渦輪風(fēng)扇發(fā)動機主要用于速度更高的飛機；渦輪噴氣發(fā)動機主要用于超聲速飛機。 沖壓發(fā)動機 其特點是無壓氣機和燃氣渦輪，進入燃燒室的空氣利用高速飛行時的沖壓作用增壓。它構(gòu)造簡單、推力大，特別適用于高速高空飛行。由于不能自行起動和低速下性能欠佳，限制了應(yīng)用范圍，僅用在導(dǎo)彈和空中發(fā)射的靶彈上。 其他 上述發(fā)動機均由大氣中吸取空氣作為燃料燃燒的氧化劑，故又稱吸空氣發(fā)動機。其他還有火箭發(fā)動機、脈沖發(fā)動機和航空電動機�；鸺�發(fā)動機的推進劑（氧化劑和燃燒劑）全部由自身攜帶，燃料消耗太大，不適于長時間工作，一般作為運載火箭的發(fā)動機，在飛機上僅用于短時間加速（如起動加速器）。脈沖發(fā)動機主要用于低速靶機和航空模型飛機。由太陽電池驅(qū)動的航空電動機僅用于輕型飛機，尚處在試驗階段。

發(fā)展史

活塞式發(fā)動機時期 早期液冷發(fā)動機居主導(dǎo)地位。19世紀末，在內(nèi)燃機開始用于汽車的同時，人們即聯(lián)想到把內(nèi)燃機用到飛機上去作為飛機飛行的動力源，并著手這方面的試驗。 1903年，美國萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這臺發(fā)動機只發(fā)出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發(fā)動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。 在飛機用于戰(zhàn)爭目的的推動下，航空特別是在歐洲開始蓬勃發(fā)展，法國在當(dāng)時處于領(lǐng)先地位。美國雖然發(fā)明了動力飛機并且制造了第一架軍用飛機，但在參戰(zhàn)時連一架可用的新式飛機都沒有。在前線的美國航空中隊的6287架飛機中有4791架是法國飛機，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發(fā)動機的"斯佩德"戰(zhàn)斗機。這種發(fā)動機的功率已達130~220kW, 推重比為0.7kW/daN左右。飛機速度超過200km/h，升限6650m。 當(dāng)時，飛機的飛行速度還比較小，氣冷發(fā)動機冷卻困難。為了冷卻，發(fā)動機裸露在外，阻力又較大。因此，大多數(shù)飛機特別是戰(zhàn)斗機采用的是液冷式發(fā)動機。期間，1908年由法國塞甘兄弟發(fā)明旋轉(zhuǎn)汽缸氣冷星型發(fā)動機曾風(fēng)行一時。這種曲軸固定而汽缸旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機終因功率的增大受到限制，在固定汽缸的氣冷星型發(fā)動機的冷卻問題解決之后退出了歷史舞臺。 在兩次世界大戰(zhàn)之間，在活塞式發(fā)動機領(lǐng)域出現(xiàn)幾項重要的發(fā)明：發(fā)動機整流罩既減小了飛機阻力，又解決了氣冷發(fā)動機的冷卻困難問題，甚至可以的設(shè)計兩排或四排汽缸的發(fā)動機，為增加功率創(chuàng)造了條件；廢氣渦輪增壓器提高了高空條件下的進氣壓力，改善了發(fā)動機的高空性能；變距螺旋槳可增加螺旋槳的效率和發(fā)動機的功率輸出；內(nèi)充金屬鈉的冷卻排氣門解決了排氣門的過熱問題；向汽缸內(nèi)噴水和甲醇的混合液可在短時內(nèi)增加功率三分之一；高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸內(nèi)燃燒前壓力由2~3逐步增加到5~6，甚至8~9，既提高了升功率，又降低了耗油率。 從20世紀20年代中期開始，氣冷發(fā)動機發(fā)展迅速，但液冷發(fā)動機仍有一席之地在此期間，在整流罩解決了阻力和冷卻問題后，氣冷星型發(fā)動機由于有剛性大，重量輕，可靠性、維修性和生存性好，功率增長潛力大等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展,并開始在大型轟炸機、運輸機和對地攻擊機上取代液冷發(fā)動機。在20世紀20年代中期，美國萊特公司和普·惠公司先后發(fā)展出單排的"旋風(fēng)"和"颶風(fēng)"以及"黃蜂"和"大黃蜂"發(fā)動機，最大功率超過400kW，功重比超過1kW/daN。到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，由于雙排氣冷星型發(fā)動機的研制成功，發(fā)動機功率已提高到600~820kW。此時，螺旋槳戰(zhàn)斗機的飛行速度已超過500km/h，飛行高度達10000m。 在第二次世紀大戰(zhàn)期間，氣冷星型發(fā)動機繼續(xù)向大功率方向發(fā)展。其中比較著名的有普·惠公司的雙排"雙黃蜂"（(R-2800)和四排"巨黃蜂"(R-4360)。前者在1939年7月1日定型，開始時功率為1230kW, 共發(fā)展出5個系列幾十個改型，最后功率達到2088kW，用于大量的軍民用飛機和直升機。單單為P-47戰(zhàn)斗機就生產(chǎn)了24000臺R-2800發(fā)動機，其中P-47 J的最大速度達805km/h。雖然有爭議，但據(jù)說這是第二次世界大戰(zhàn)中飛得最快的戰(zhàn)斗機。這種發(fā)動機在航空史上占有特殊的地位。在航空博物館或航空展覽會上，R-2800總是放置在中央位置。甚至有的航空史書上說，如果沒有R-2800發(fā)動機，在第二次世界大戰(zhàn)中盟國的取勝要困難得多。后者有四排28個汽缸，排量為71.5L，功率為2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式發(fā)動機，用于一些大型轟炸機和運輸機。1941年，圍繞六臺R-4360發(fā)動機設(shè)計的B-36轟炸機是少數(shù)推進式飛機之一，但未投入使用。 萊特公司的R-2600和R-3350發(fā)動機也是很有名的雙排氣冷星型發(fā)動機。前者在1939推出，功率為1120kW，用于第一架載買票旅客飛越大西洋的波音公司"快帆"314型四發(fā)水上飛機以及一些較小的魚雷機、轟炸機和攻擊機。后者在1941年投入使用，開始時功率為2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡壘"戰(zhàn)略轟炸機。R-3350在戰(zhàn)后發(fā)展出一種重要改型--渦輪組合發(fā)動機。發(fā)動機的排氣驅(qū)動三個沿周向均布的廢氣渦輪，每個渦輪在最大狀態(tài)下可發(fā)出150kW的功率。這樣，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低達0.23kg/(kW·h)。1946年9月，裝兩臺R-3350渦輪組合發(fā)動機的P2V1"海王星"飛機創(chuàng)造了18090km的空中不加油的飛行距離世界紀錄。液冷發(fā)動機與氣冷發(fā)動機之間的競爭在第二次世界大戰(zhàn)中仍在繼續(xù)。液冷發(fā)動機雖然有許多缺點，但它的迎風(fēng)面積小，對高速戰(zhàn)斗機特別有利。而且，戰(zhàn)斗機的飛行高度高，受地面火力的威脅小，液冷發(fā)動機易損的弱點不突出。所以，它在許多戰(zhàn)斗機上得到應(yīng)用。例如，美國在這次大戰(zhàn)中生產(chǎn)量最大的5種戰(zhàn)斗機中有4種采用液冷發(fā)動機。其中，值得一提的是英國羅-羅公司的梅林發(fā)動機。它在1935年11月在"颶風(fēng)"戰(zhàn)斗機上首次飛行時，功率達到708kW；1936年在"噴火"戰(zhàn)斗機上飛行時，功率提高到783kW。 這兩種飛機都是第二次世界大戰(zhàn)期間有名的.戰(zhàn)斗機，速度分別達到624km/h和750km/h。梅林發(fā)動機的功率在戰(zhàn)爭末期達到1238kW，甚至創(chuàng)造過1491kW的紀錄。美國派克公司按專利生產(chǎn)了梅林發(fā)動機，用于改裝P-51"野馬"戰(zhàn)斗機，使一種平常的飛機變成戰(zhàn)時最優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機。"野馬"戰(zhàn)斗機采用一種不常見的五葉螺旋槳，安裝梅林發(fā)動機后，最大速度達到760km/h，飛行高度為15000m。除具有當(dāng)時最快的速度外，"野馬"戰(zhàn)斗機的另一個突出的優(yōu)點是有驚人的遠航能力，它可以把盟軍的轟炸機一直護送到柏林。到戰(zhàn)爭結(jié)束時，"野馬"戰(zhàn)斗機在空戰(zhàn)中共擊落敵機4950架，居歐洲戰(zhàn)場的首位。而在遠東和太平洋戰(zhàn)場上，則是由于裝備了氣冷發(fā)動機的F6F"地獄貓"戰(zhàn)斗機的參戰(zhàn)，才結(jié)束了日本"零"式戰(zhàn)斗機的霸主地位。航空史學(xué)界把"野馬"飛機看作螺旋槳戰(zhàn)斗機的頂峰之作。 在第二次世界大戰(zhàn)開始之后和戰(zhàn)后的最主要的技術(shù)進展有直接注油、渦輪組合發(fā)動機和低壓點火。 在兩次世界大戰(zhàn)的推動下，發(fā)動機的性能提高很快，單機功率從不到10 kW增加到2500 kW左右，功率重量比從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時延長到2000~3000h。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，活塞式發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000 m。可以說，活塞式發(fā)動機已經(jīng)達到其發(fā)展的頂峰。 噴氣時代的活塞式發(fā)動機 在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)明而開創(chuàng)了噴氣時代，活塞式發(fā)動機逐步退出主要航空領(lǐng)域，但功率小于370 kW的水平對缸活塞式發(fā)動機發(fā)動機仍廣泛應(yīng)用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農(nóng)林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機，旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機在無人機上嶄露頭角，而且美國NASA還正在發(fā)展用航空煤油的新型二沖程柴油機供下一代小型通用飛機使用。 美國NASA已經(jīng)實施了一項通用航空推進計劃，為未來安全舒適、操作簡便和價格低廉的通用輕型飛機提供動力技術(shù)。這種輕型飛機大致是4~6座的，飛行速度在365 km/h左右。一個方案是用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，用它的飛機稍大，有6個座位，速度偏高。另一個方案是用狄塞爾循環(huán)活塞式發(fā)動機，用它的飛機有4個座位，速度偏低。對發(fā)動機的要求為： 功率為150 kW； 耗油率0.22 kg/(kW·h)； 滿足未來的排放要求； 制造和維修成本降低一半。到2000年，該計劃已經(jīng)進行了500h以上的發(fā)動機地面試驗，功率達到130 kW，耗油率0.23 kg/(kW·h)。 燃氣渦輪發(fā)動機時期 第二個時期從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今。60年來，航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導(dǎo)地位。在技術(shù)發(fā)展的推動下（見表1），渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、槳扇發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機在不同時期在不同的飛行領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的臺階。 渦噴/渦扇發(fā)動機 英國的惠特爾和德國的奧海因分別在1937年7月14日和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發(fā)動機WU和HeS3B。前者推力為530daN，但1941年5月15日首次試飛的格羅斯特公司E28/39飛機裝的是其改進型W1B，推力為540daN，推重比2.20。后者推力為490daN，推重比1.38，于1939年8月27日率先裝在亨克爾公司的He-178飛機上試飛成功。這是世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機，開創(chuàng)了噴氣推進新時代和航空事業(yè)的新紀元。 世界上第一臺實用的渦輪噴氣發(fā)動機是德國的尤莫-004，1940年10月開始臺...

生產(chǎn)商

世界三大航空發(fā)動機生產(chǎn)商分別是美國通用電氣、英國羅爾斯·羅伊斯和美國普拉特·惠特尼。 通用電氣，英文簡寫GE，是世界上最大的綜合性動力和設(shè)備制造商，像世界上單臺引擎推力最強的民航發(fā)動機GE90、最優(yōu)越的民用引擎CF6-80C/E、最強大的渦輪軸發(fā)動機CT7-8系列都是GE的杰作，使用廣泛的波音737使用的CFM56發(fā)動機也是GE牽頭研發(fā)的； 羅爾斯·羅伊斯，也叫勞斯萊斯，英文簡寫RR，是渦扇發(fā)動機領(lǐng)域里僅次于GE的品牌，英國主導(dǎo)的國際型企業(yè)。它的發(fā)動機市場占有率與GE相當(dāng)，最有名的當(dāng)屬RB-211型發(fā)動機，其余包括像波音787使用的低噪音發(fā)動機“遄達”1000系列、空客A380使用的Trent 900發(fā)動機，世界上噪音最小的客機產(chǎn)品A330/340系列使用的“遄達”500/700系列都是RR的杰作，號稱世界最先進中型直升機的AW101使用的RTM332也是RR的產(chǎn)品；大有超越GE的優(yōu)勢。 普拉特·惠特尼，簡稱普·惠，英文簡寫PW，是世界知名的軍用渦槳/渦扇發(fā)動機制造商、直升機用渦輪軸發(fā)動機及民航制造商，其生產(chǎn)的發(fā)動機以軍用為主，例如F-15、F-16的標配動力之一F100就是PW的，同時F-22的標配動力F119也是pw的。目前世界上最領(lǐng)先的6噸級中型直升機AW139使用的發(fā)動機和我國武直-10目前使用的PT6C-67C都是PW的產(chǎn)品，中國最先進的支線客機新舟600的引擎也是普惠的技術(shù)

行業(yè)分析

航空發(fā)動機行業(yè)具有高技術(shù)，高投入、高風(fēng)險、高壁壘的特性。研發(fā)普通單臺發(fā)動機的投入在10-30億美元，時間周期10-15年。從60年代開始，全球主要制造商和供應(yīng)商不超過25家，全球航空發(fā)動機制造主要集中在歐美發(fā)達國家的公司，美國的通用和普惠、法國的斯奈馬克和英國的羅羅是目前全球最大四家航空發(fā)動機巨頭。前瞻網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年，全球航空發(fā)動機市場規(guī)模約750億美元。其中中國航空發(fā)動機市場產(chǎn)值僅為200億元人民幣(約合30.76億美元)。 而據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國通用、美國普惠、法國斯奈馬克及英國的RR這四家航空發(fā)動機制造廠商占據(jù)全球 84%的市場份額，美國通用公司處于市場絕對老大地位，占有40%市場份額，其次是英國羅·羅公司，占據(jù)22%市場份額，法國斯奈馬克公司和美國普惠公司分別以13%和9%的市場份額分列三四位。 在世界航空發(fā)動機市場格局中，雖然中國的飛機發(fā)動機制造水平和市場份額均遠遠落后于歐美發(fā)達國家，中國航空工業(yè)快速發(fā)展，各種先進戰(zhàn)斗機不斷研制出來，如殲20隱形戰(zhàn)斗機成功試飛。但同時必須看到，我國航空發(fā)動機制造落后嚴重制約著各種新戰(zhàn)機裝備，長期依賴于國外航空發(fā)動機對中國的國家戰(zhàn)略安全形成巨大的威脅，航空發(fā)動機成為中國迫切需要解決的難題之一。 此外，相比歐美發(fā)達國家，我國在航空發(fā)動機預(yù)研上規(guī)劃和投入還存在較大的差距，歐美發(fā)達國家長期以來始終高度重視航空發(fā)動機技術(shù)的研究和發(fā)展，投入大量資金，通過連續(xù)不斷地實施先進航空發(fā)動機技術(shù)的研究與驗證計劃，為其占據(jù)當(dāng)今世界航空發(fā)動機領(lǐng)域的領(lǐng)先地位奠定了堅實的基礎(chǔ)。 《2013-2017年中國航空發(fā)動機行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年，中航發(fā)動機公司的航空產(chǎn)業(yè)營收約200億元，僅是國內(nèi)年均千億航空發(fā)動機市場需求的1/5，未來仍有廣闊成長空間。從市場結(jié)構(gòu)來看，中國生產(chǎn)的幾乎全部是戰(zhàn)斗機發(fā)動機，干支線運輸機，而相關(guān)的民用發(fā)動機市場空間廣闊，且尚未涉及。

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