2016-03-09 14:14:17

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航空发动机(aero-engine),是一种高度复杂和精密的热力机械,为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏,被誉为"工业之花",它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前,世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国等少数几个国家,技术门槛很高。

国防科工局局长许达哲近日表示,要结合"国防科技工业2025"和国防科技工业军民融合"十三五"规划的编制,推动我国装备升级。在"中国制造2025"战略的推动下,各行业都在积极承接并制定本行业规划。此次国防科工局表态,首次确认了军工领域正在编制"国防科技工业2025" 。

基本信息

  • 中文名

    航空发动机

  • 外文名

    aero-engine

折叠 编辑本段 功能类型

航空发动机为航空器提供飞行所需动力的发动机。发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响,而且发动机技术具有良好的军民两用特性,对国防和国民经济有重要意义。

发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,发动机对飞机的性能以及飞机研制的成 败和进度有着决定性的影响,而且发动机技术具有良好的军民两用特性,对国防和国民经济有重要意义。因此,世界上几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策,将发动机技术列为国家和国防关键技术,给予大量的投资,保证发动机相对独立地领先发展,并严格禁止关键技术出口。一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划,试图建立独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。

现代航空发动机主要有两种类型:“活塞式发动机”和“喷气式发动机”。低速、小型、短程飞机常用“活塞式发动机”;高速、大(中)型、远(中)程飞机常用“喷气式发动机”。无论哪种型式,当作为航空发动机时,其基本要求均可归结如下:

一、功率重量比大

设计飞机的任何部件,都应在满足使用要求的前提下,尽量减轻其重量。对发动机来说,就是要保证足够大的功率而自重又很轻。衡量发动机功率大、重量轻的标准是“功率重量比”。即发动机所发出的功率与发动机重量之比值。“功率重量比”越大,表示在有相同功率的情况下,发动机越轻。

功率重量比的单位,对活塞发动机来说,是“马力/公斤”;对喷气式发动机来说,是推力(牛顿)/重量(牛顿),无单位。

二、燃油消耗量小

发动机是否省油,是飞机使用的重要经济指标。评定发动机的经济性,常用“燃油消耗率”作标准。“燃油消耗率”是指单位功率(一牛顿或一马力)在一小时内所消耗油料的重量。燃油消耗率越小,说明发动机越省油。

航空发动机航空发动机

三、迎风面积小

航空发动机应在保证功率不减小的前提下,力求体积较小。体积小,可以使发动机占据的空间小,有利于飞机装载人员、货物、设备。在体积尺寸中,应力求减小“迎风面积”,以减小空气阻力。

四、工作安全可靠、寿命长

飞机在空中飞行的安全,是由各组成部分可靠工作来保证的。要维持飞行,发动机就必须始终处于可靠状态。所以,发动机的可靠性是十分重要的。为了保证发动机工作安全可靠,必须精心设计、选用合适材料、严格工艺规程。并在发动机组装完成后,进行"试车"一一在"试车台"上模拟各种高度条件。在装上飞机之后,还要进行试车。只有当确定各项规定指标都符合要求时,飞机才能飞行。为了保证飞机随时处于可靠状态,在整个使用过程中,还要定期对发动机进行检查和维修。

在保证发动机可靠性的前提下,要求发动机的“寿命长”。这是发动机经济性的另一项指标。寿命长,可以降低使用成本、节约原材料。

发动机的寿命分两种:“翻修寿命”和“使用寿命”。“翻修寿命”是指两次“翻修”之间或新发动机开始使用至第一次翻修之间的使用(实际工作)时间,单位是“小时”。“使用寿命”是指全新发动机由开始使用到报废的使用(实际工作)时间,单位也是“小时”。由于设计、材料、工艺、使用条件不同,各发动机的“寿命”都不相同。

五、维护、修理方便

维护、修理,统称为维修。这是保证发动机可靠性的重要工作。发动机能否随时处于可靠状态,很大程度决定“维修”质量。维修的好坏,影响发动机的寿命。

维护的目的之一,是发现故障和排除故障,并对必要的部位进行检测、清洗、更换润滑油等。根据发动机工作的长短,维护工作一般都按不同的项目定期进行。而“修理”则是在零部件损坏的情况才进行。由于“维修”工作量很大,所以占飞机使用成本的很大比例。这就有必要在设计时考虑便于拆装、检查和维修的方便性,以减小维修工作量,降低维修成本。

折叠 编辑本段 发展

航空发动机行业具有高技术,高投入、高风险、高壁垒的特性。研发普通单台发动机的投入在10-30亿美元,时间周期10-15年。从60年代开始,全球主要制造商和供应商不超过25家,全球航空发动机制造主要集中在欧美发达国家的公司,美国的通用和普惠、法国的斯奈马克和英国的罗罗是目前全球最大四家航空发动机巨头。前瞻网统计数据显示,2011年,全球航空发动机市场规模约750亿美元。其中中国航空发动机市场产值仅为200亿元人民币(约合30.76亿美元)。

而据相关统计数据,美国通用、美国普惠、法国斯奈马克及英国的RR这四家航空发动机制造厂商占据全球 84%的市场份额,美国通用公司处于市场绝对老大地位,占有40%市场份额,其次是英国罗·罗公司,占据22%市场份额,法国斯奈马克公司和美国普惠公司分别以13%和9%的市场份额分列三四位。

在世界航空发动机市场格局中,虽然中国的飞机发动机制造水平和市场份额均远远落后于欧美发达国家,中国航空工业快速发展,各种先进战斗机不断研制出来,如歼20隐形战斗机成功试飞。但同时必须看到,我国航空发动机制造落后严重制约着各种新战机装备,长期依赖于国外航空发动机对中国的国家战略安全形成巨大的威胁,航空发动机成为中国迫切需要解决的难题之一。

此外,相比欧美发达国家,我国在航空发动机预研上规划和投入还存在较大的差距,欧美发达国家长期以来始终高度重视航空发动机技术的研究和发展,投入大量资金,通过连续不断地实施先进航空发动机技术的研究与验证计划,为其占据当今世界航空发动机领域的领先地位奠定了坚实的基础。

中国航空发动机行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》统计数据显示,2011年,中航发动机公司的航空产业营收约200亿元,仅是国内年均千亿航空发动机市场需求的1/5,未来仍有广阔成长空间。从市场结构来看,中国生产的几乎全部是战斗机发动机,干支线运输机,而相关的民用发动机市场空间广阔,且尚未涉及。

折叠 编辑本段 常见分类

飞行器发动机常见的分类原则有两种:按空气是否参加发动机工作和发动机产生推进动力的原理。按发动机是否须空气参加工作,飞行器发动机可分为两类,大约如下所示:

吸空气发动机简称吸气式发动机,它必须吸进空气作为燃料的氧化剂助燃剂),所以不能到稠密大气层之外的空间工作,只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同,吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。

航空发动机航空发动机

火箭喷气式发动机是一种不依赖空气工作的发动机,航天器由于需要飞到大气层外,所以必须安装这种发动机。它也可用作航空器的助推动力。按形成喷气流动能的能源不同,火箭发动机又分为化学火箭发动机、电火箭发动机和核火箭发动机等。

按产生推进动力的原理不同,飞行器的发动机又可分为直接反作用力发动机、间接反作用力发动机两类。直接反作用力发动机是利用向后喷射高速气流,产生向前的反作用力来推进飞行器。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机,这类发动机有涡轮喷气发动机、冲压喷气式发动机,脉动喷气式发动机,火箭喷气式发动机等。

间接反作用力发动机是由发动机带动飞机的螺旋桨、直升机的旋翼旋转对空气作功,使空气加速向后(向下)流动时,空气对螺旋桨(旋翼)产生反作用力来推进飞行器。这类发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨风扇发动机等。而涡轮风扇发动机则既有直接反作用力,也有间接反作用力,但常将其划归直接反作用力发动机一类,所以也称其为涡轮风扇喷气发动机。

航空发动机航空发动机

折叠 编辑本段 数目用途

飞机上发动机的数目是由飞机的重量,种类,用途,以及发动机的类型所决定的。

一般来讲,确定发动机个数的首要原则就是重量,轻型飞机或超轻型飞机由于起飞重量较小,多采用1~2台发动机,而大型飞机则一般装有2~4台发动机,甚至更多。

在航空史的早期,由于当时的活塞式发动机单台功率较小,为了驱动一架大型飞机(现在看来那只能算中型飞机)就需要4台以上的发动机,经常会有飞机装有6台、8台、甚至12台之多,这么多的发动机使飞机的结构变得相当复杂,故障率也相当高,因此这些多发飞机大多是昙花一现。

随着推进技术的进步,现代航空喷气式发动机的功率越来越高,推力越来越大,不需要很多台就可以为飞机提供足够的动力,因而近些年来飞机发动机的数目呈减少的趋势,大多数飞机只装有1~2台发动机。但是在一些特殊情况下,如某些适航条例规定作越洋飞行的客机必须有3台以上的发动机,以确保在单发停车时具有足够的续航能力(这些规定已因为双发的波音-777飞机的出现而做了相应的调整),因此当今的远程运输机都采用4台发动机。

至于作战飞机,由于机体较轻,同时对飞机的结构的紧凑性要求较高,其发动机的数目为1~2台,轻型战斗机装1台,重型战斗机装2台。

航空发动机航空发动机

折叠 编辑本段 安装位置

飞机上发动机的安装位置与发动机的数目及型式有关。

1.活塞发动机和涡轮螺桨发动机的安装位置

活塞发动机和涡轮螺桨发动机在飞机上目前多安装一台、两台或四台,一般多是拉进式(即螺旋在前)的,装在机头或机翼前缘,这样可以使机翼上所受的载荷降低,因为发动机的重力和举力的方向想反,减少了由这些外力所引起的弯矩。

航空发动机航空发动机

另一种是推进式的,发动机装于机翼后沿或机身后段。这种安排使机翼位于螺旋桨的滑流之外,阻力会降低,但主起落架较高,重量增大;而且发动机在地面工作时冷却条件也较差,因而目前使用较少。

目前也有一种轻型飞机将发动机安装在垂尾上,以降低机身离地面高度,可在起飞时充分利用地面效应。

2.涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机的安装位置和固定 。

这两类发动机在飞机上的安装位置相似,可用涡轮喷气发动机作为代表。

一台涡轮喷气发动机多装在机身后段或机身下部。这种方式有利于维护修理,只要将机身后段拆卸开就行了;同时还可让出机身短舱或前段的空间,以便容纳人员和武器装备。

这种发动机安排方式主要用于战斗机。

两台涡轮喷气发动机有几种安排方式。常见的一种是把两台发动机各装在一只短舱内,这种方式的优点是机身空间大,装载的人员和设备多;对机翼能起减少载荷的作用。但其构造比较复杂,而且还会增大阻力和降低机翼的后掠作用。

第二种双发的安排方式是把发动机装在机翼下的吊舱内。这种方式的好处是减少短舱和机翼的干扰,对提高最大举力系数有利;防火性能较好;可采用全翼展的襟翼。另外,由予短舱离地近,维护比较方便,但易于吸入尘土。

双发的第三种安排方式是把两台发动机并列在后机身外部的两侧,这种叫尾吊式。其优点是座舱内噪音小,机翼上没有东西(如短舱)干扰,气动性能较好;进气和排气通道较短,因而能量的损失较少。但这种安排的构造比较复杂;也比较重。

这几种安排方式多用于运输机或轰炸机。

双发的第四种安排方式是,把发动机左右并列(或上下叠置)安装在后机身的内部。某型后掠翼超音速歼击机就是这样,这种安排方式,在单发飞行时,由于两边推力不平衡而引起的使机头偏向一边的力矩比较小;但发动机所占机身的容积很大,不利于装载其他的设备。

这种发动机安排方式主要用于战斗机。

三台喷气发动机多用于运输机。其安排方式有两种。一种是两台发动机并列装在机身后段,另一台装在垂直尾翼上。这种安装方式的优点是,如果发动机发生故障,涡轮损坏,被强大的离心力摔开的碎片不致破坏飞机的主要受力构件,比较安全。同时,并列的两台发动机也可固定于气密座舱之外。

航空发动机航空发动机

另一种三发的安排方式是,把两台涡轮风扇发动机安装在机翼下的吊舱内,另一台安装在垂直尾翼内。其特点和安装情况和装有吊舱的及垂直尾翼中安装一台的情况相似。飞机的两种布局(三发动机)

四台喷气发动机的安排方式比较常见的有四种。一种是四台发动机都置于机翼下的吊舱内,这种方式多用于运输机,但也有轰炸机采用这种形式的。

四发的第二种安排方式是,把四台发动机都并列在机身后段外部的两侧(尾吊式),其特点两台发动机尾吊式相近。

四发的第三种安排方式是,把发动机安装在靠近机身的机翼内部,每边放两台,这种方式的构造复杂。但一台发动机停车时,却可减小偏航力矩,而且还可消除或削弱短舱和机身的干扰作用。

最后一种是把四台喷气发动机每两台成为一组,安装在机翼的底部,其特点是发动机短舱的剖面呈长方形的,上下表面形成飞机结构的一部分。

B-52亚音速战略重型轰炸机装有八台喷气发动机,每两台成一组,装在机翼下面的4只吊舱中,其安装位置和固定的特点与四个吊舱的飞机相似。

折叠 编辑本段 前景分析

根据国家制造强国建设战略咨询委员会数据显示,未来十年,全球涡扇、涡喷发动机累计需求总量将超7.36万台,总价值超4160亿美元;涡轴发动机累计需求总量超3.4万台,总价值超190亿美元;涡桨发动机累计需求总量超1.6万台,总价值超150亿美元;活塞发动机累计需求总量超3.3万台,占60%以上通飞动力市场,总价值约30亿美元。同时,国内干线客机对大型涡扇发动机的市场累计需求总量超6000台,总价值超500亿美元,而低空空域的开放也将进一步刺激通用飞机对涡轴、活塞等发动机的需求量。[1]

参考资料

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