商用喷气发动机科技进展与设计原理

发明人：1937年，恩斯特·海因克尔（Ernst Heinkel）教授、汉斯·冯·奥安（Hans von Ohain）博士，以及弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）爵士相继发明了喷气式发动机。

主要制造商：通用航空公司、普惠发动机公司、劳斯莱斯航空发动机公司、赛峰集团。

美国航空业年销售额：680亿美元。

喷气发动机是当今喷气飞机的动力装置，不仅产生驱动飞机的动力，而且还为飞机的其他系统提供能量。商用喷气发动机直径可达3.3米，长度可达3.7米，重量可达4540千克，推力可达45400千克。

1930年，英国皇家空军中尉弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）获得了第一项喷气式发动机专利。虽然惠特尔的引擎测试始于1937年，但直到1941年才成功运行。二战前，德国也开始了类似但全然不同的工作，德国工程师汉斯·冯·奥安你见过绑着喷气发动机的米老鼠在天空上翱翔吗？见过装上喷气发动机飞行的土狼觅食吗？这一切已不再是卡通里的画面。人类也尝试把自己绑在喷气发动机上飞翔，他们幻想着在单座赛车、小型汽车、飞行平台以及摩托车上装上喷气发动机。

（Hans von Ohain）于1935年获得了一项喷气发动机专利。冯·奥安与当地一位名叫马克斯·哈恩（Max Hahn）的天才汽车技师合作，制作了一个发动机的工作模型。后来他得到了飞机制造商恩斯特·海因克尔的支持，恩斯特·海因克尔雇用了冯·奥安和哈恩来开发引擎。四年后，也就是1939年8月27日，飞行员埃里希·瓦西茨（Erich Warsitz）驾驶着装着奥安喷气发动机的He-178飞机从罗斯托克-马里奈赫（Rostock-Marienehe）机场起飞。这是人类历史上第一架喷气式飞机。

当惠特尔发动机在1941年取得成功后，英国立即向其盟友美国运送了一架原型机。在美国，通用电气（GE）公司立即开始生产复制品。1942年末，通用电气公司生产的美国第一台喷气发动机安装在贝尔公司设计的飞机上并成功实现飞机起飞。然而，喷气式飞机的真正飞行是在第二次世界大战后。

牛顿第三运动定律是由英国数学家和科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）爵士（1642—1727）提出的，即相互作用力大小相等，方向相反。喷气发动机就是根据这个原理工作的。首先，进气风扇吸入空气，并将一部分空气送至压缩机进行压缩，而其余的空气则冷却发动机。然后压缩空气流入燃烧室，与燃料混合，点燃，燃烧。一部分燃烧产生的气体驱动涡轮机（一组风扇用于压缩机轴），另一部分以相当高的速度从排气系统喷出推动飞机向前（见图1）。这个过程中发动机向后喷气，并产生大小相等、方向相反的反作用力向前推动飞机。而且飞机前进的速度等于排出气体的速度。

图1　典型的燃气涡轮喷气发动机的工作原理是通过进气风扇吸入空气，并对其进行压缩，然后与燃料混合，加热点火燃烧。再通过排气系统高速排出燃烧所产生的气体。而对于涡扇喷气发动机（本图未显示）来说，涡轮驱动的大型管道风扇有助于推力的提升。

发动机前部的进气风扇必须非常坚固，以便在大型鸟类或其他残骸被吸入叶片时不会坏掉。

冲压式喷气发动机与另一种发动机（通常是涡轮式喷气发动机）一起使用。只有当飞机的速度稳定地超过音速而且在海平面以上以高于音速并超过每小时1223千米的速度飞行时，它才会启动。正因为如此，冲压式喷气发动机通常被用来推进导弹。著名的SR-71黑鸟侦察机使用了所谓的涡轮冲压组合式喷气发动机，当飞行器速度达到两马赫时，组合式发动机会将工作状态从原先的涡轮式转换为冲压式。

今天的商用喷气发动机可以重达4540千克，产生超过45400千克的推力。

涡轮式喷气发动机是第一种为飞机提供动力的喷气发动机。大多数其他喷气发动机都是基于它的理念设计的。基本上，空气被吸入，压缩，然后被加热，在燃烧室中被点燃。膨胀的气体驱动涡轮，然后再将气体喷出排气系统，推动飞机前进。

涡扇发动机是商用飞机上最常用的发动机。它的工作原理类似于涡轮喷气发动机，但是除了涡轮发动机的风扇本身，它的前面还有一个大风扇用于吸入更多的空气，这减少了发动机的噪音，并在使用相同的燃料量时提供了额外的更大的推力。

涡轮螺旋桨发动机使用涡轮喷气发动机来驱动螺旋桨，为螺旋桨提供的动力占发动机的输出动力的绝大部分。这种发动机在低速状态下运转最好，主要用于小型商用飞机。

音速

在海平面上的音速与在更高的高度或海拔上的音速是不同的。在海平面上，音速约为1191千米/小时。在1219米的高空，音速约为1062千米/每小时。另一个准确的音速术语是“1马赫⁽¹⁾”，它是以奥地利科学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）的名字命名的。以此类推，2马赫是两倍音速，3马赫是三倍音速。查克·耶格尔是第一个突破音障的人。1974年，他驾驶贝尔X-1火箭动力飞机做到了这一点，这架飞机现在正在华盛顿特区的史密森学会展出。

排气系统由外风道和狭窄的内风道组成。外风道输送经过燃烧室外部的冷却空气，较窄的内风道给燃烧室输送燃烧气体。在这两个风道之间是一个推力反向器，关闭外风道这个机制可以防止未经加热的空气通过排气系统离开发动机。当飞行员想让飞机减速时，他们就会使用反向推力装置。

喷气发动机安装在飞机的机翼上并装在引擎罩中，引擎罩是一个可以向外打开的外壳——这样便于检查和维修发动机。每台发动机（一架波音747飞机有4台发动机）上都有一个挂架，这是一个金属臂，用以将发动机和飞机的机翼连接起来（见图2）。电线和管道也装在挂架中，将发动机产生的电力和液压动力输送回飞机。

图2　飞机的机翼上装有一个喷气发动机。

大多数商用飞机装配的是涡扇发动机，它因具有高涵道流量比（即绕过压缩机的空气流量与通过压缩机的空气流量之差）的特性而运行效率最高。高涵道比需要更大的风扇用于输入空气，但更大的风扇意味着更大的重量和更低的效率。由此设计师们开始使用复合材料来减轻喷气发动机的重量。

发动机部件必须非常坚固，重量轻、耐腐蚀、热稳定性好（能够承受高温或低温）。因此，一些特定的材料已经被开发出来，用于满足上述这些特性。钛往往被用于制造最关键的发动机部件。虽然它很难被塑形，但是它极高的硬度和熔点使它在高温下也很坚固。为了改善它的可塑性，钛经常和其他轻金属混合在一起使用，比如镍和铝。

发动机前部进气风扇采用钛合金材料，中间压缩机采用铝合金材料。燃烧室和靠近燃烧室的高温高压段的部分由镍钛合金构成，而涡轮叶片必须承受发动机最大的高温，由镍钛铝合金构成。排气系统的内部管道是由钛制成的，而外部排气管道是由凯夫拉纤维制成的，凯夫拉纤维是一种强度高、重量轻的合成材料。推力反向器由钛合金组成。

在全功率状态下，喷气发动机每秒可以吸入超过一吨的空气。

自20世纪90年代中期以来，制造商一直在增加喷气发动机中复合材料的使用比例，即拥有两种或两种以上具有不同化学性能的材料合成的材料。引擎罩、外壳、风管、柔性连接臂、风扇罩，甚至一些发动机的风扇叶片都使用复合材料。复合材料占一些发动机重量的10％～35％。

波音（Boeing）787梦想飞机（787 Dreamliner）上安装的是罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）公司的Trent 1000涡扇发动机，它包含3万个部件，可制造和装配这台发动机仅需20天。

设计和测试每一种型号的喷气发动机可能需要长达五年的时间。构建所有组件大约需要两年时间。供应商制造零部件的各个部分，并交付给喷气发动机制造商；然后组装在一起形成整个引擎。光是组装就需要一到三个星期。

通用航空公司为GE90发动机制造的涡扇叶片采用复合碳纤维材料，而不是钛，但大多数发动机仍然使用钛叶片。

发动机一般被安装在飞机的尾部，型架前端和水平机翼垂直的地方，便于操作者进行维护工作。

1．每个风扇叶片位于发动机前部，由熔融钛热压成型制作两瓣叶片外皮（见图3）。取出后，将这两瓣叶片外皮焊接在一起，在中心留下一个空心腔。为了增加最终产品的强度，在腔内填充了蜂窝钛。(www.xing528.com)

图3　风机叶片是将熔融的钛在热压机上成形，将两瓣叶片外皮焊接在一起，再用蜂窝钛填充空心腔而成。

2．压缩机盘是压缩机叶片附着的固体核心，类似于一个大的、有缺口的轮子。制造圆盘的过程利用了粉末冶金学，即将熔化的金属倒入快速旋转的转盘上将其打碎成数百万微小的液滴。离开转盘时，液滴由于温度迅速下降（从大约1200℃，在0.5秒时间内迅速下降）而固化，并形成一个高纯度、极细的金属粉末。

3．接下来，将粉末真空包装在一个容器里并在高压下密封和加热。通过加热和加压将金属微粒熔合成一个圆盘。然后在一台大型切割机上对圆盘进行加工成形，并用螺栓将风扇叶片固定在其上。

4．压缩机叶片是用铸件铸造而成的。在这个过程中，用来制造叶片的合金被倒入陶瓷模具中，在熔炉中加热，然后冷却。接着打破模具，取出叶片进行机加工——切割或成型，变成最终的叶片（见图4）。

图4　压气机叶片和燃烧室均为铸造而成。

5．燃烧室必须在小空间内混合空气和燃料，并在极端高温下长时间工作。为此，燃烧室由钛合金制成。该合金首先加热，然后倒入几个复杂的分段模具。这些部件从模具中取出，冷却后焊接在一起，然后安装到发动机上。

6．涡轮圆盘是由制造压缩机圆盘所用的粉末冶金工艺形成的。（见图5）

7．涡轮叶片紧贴在燃烧室的后方并在其产生的高温环境下工作，因此涡轮叶片采用的生产方法与最终的结构与压缩机叶片有所不同：耐高温陶瓷外壳内铸有高温镍铝合金。叶片的结构中还包含复杂的冷却管道；否则，高温依然可能将它们熔化。

8．首先，将蜡倒入金属模具中形成叶片的复刻品（见图5）。一旦蜡的形状定型，就从模具中取出并覆盖陶瓷涂层。然后加热每一簇叶片，使陶瓷变硬并熔化蜡。

图5　涡轮圆盘是用粉末冶金工艺制造的。涡轮叶片是用蜡制作叶片的复制品，并在其表面涂上陶瓷，加热每一个叶片使陶瓷变硬并熔化蜡。然后，将熔化的金属倒入熔化的蜡留下的空心区域，并以单晶结构生长。

9．熔化的金属被倒进熔化的蜡留下的空心区域。每个叶片内部的风冷管道也是在这个生产阶段形成的。在模具的底部，螺旋结构连接到一个水冷的盘子上。填充的模具慢慢地从熔炉中抽出，进入冷却室。金属开始在较冷的盘子上凝固，晶体开始沿直线长成螺旋结构，此时模具正在取出。晶体的螺旋结构只允许增长最快的晶体在模具的主要部分生长。随着模具被慢慢地抽出，晶体继续生长到空间的其余部分。这种单晶工艺确保了金属结构中没有晶界，而晶界是潜在的机械损伤区域。

10．制造涡轮叶片的下一个和最后一个阶段是机器整形和激光钻孔或火花刻蚀。首先，通过锉削将叶片加工成所需的最终形状；其次，为了满足内部冷却通道的需要，在每个叶片上打上平行的小孔，这些孔要么是由一束小激光束刻蚀形成的，要么是小心控制火花在叶片上烧出洞来，也就是所谓的火花刻蚀。

11．内部管道和加力燃烧器（附在发动机上的排气管上）由钛铸成，外部管道和发动机舱（发动机外壳）由凯夫拉纤维制成。这三个部件焊接成一个子部件后，整个发动机就可以组装起来了。

12．发动机基本是由人工安装各种组件和配件的。组装首先是用螺栓将高压涡轮固定在低压涡轮上。接下来，将燃烧室固定在涡轮机上。制造平衡涡轮总成的工艺是利用CNC（计算机数控）工业机器人来完成的，该机器人能够选择、分析涡轮叶片并将其连接到轮毂上。

13．将涡轮机和燃烧室组装好，高压和低压压缩机也连接起来。风扇和由最前端的组件组成的机架再连接起来。主传动轴连接低压涡轮与低压压缩机，然后安装风扇，至此完成发动机核心组装。

14．在连接排气系统（最后的组件）后，发动机被运送到飞机制造厂。在那里，管道、电线、配件和飞机的气动外壳将被组装在一起。

当新设计的发动机开始生产后，第一台被制造的新型号被指定作为质量检测对象（性能测试机）。在此过程中，工作人员对发动机进行各项测试以模拟其在各种环境下的工作状态，以及对不利因素的反应。这些影响包括极端天气、空中的异物（如鸟类）或碎片的撞击、长时间飞行和反复启动。

作为新设计制造的第一个引擎，一直是用于质量测试，永远不会投入商业使用。

在制造发动机的整个过程中，要对零部件和装配件的尺寸精度、工艺可靠性和零部件质量进行检验。尺寸检查有许多不同的方法。一种方法是使用坐标测量机（CMM），它将检查零件的关键特征，并将其与设计尺寸进行比较。另一种方法是在零件的整个表面涂上荧光液体。当液体渗入任何裂缝或痕迹后，多余的部分就被去除。使用紫外线将会显示任何可能导致发动机过早故障的表面缺陷。

所有旋转组件必须精确平衡，以确保安全延长运行周期。在总装之前，要确保所有旋转部件都是动态平衡的。这个平衡过程很像汽车轮胎的旋转平衡。旋转部件和已安装的发动机核心部分是由计算机对其进行“旋转动量”调整，以确保他们正确旋转。

成品发动机的功能测试分为三个阶段：静态测试、静态运行测试和飞行测试。静态测试检查系统，如电气和冷却，发动机不运行。发动机安装在机架上运行时，都经过了静态运行试验。飞行测试需要在各种不同的条件和环境中对所有系统进行全面的检查，无论之前是否测试过。每台发动机在其使用寿命中都将持续受到监控。

随着对更大、更高效飞机的需求增加，要求改进喷气发动机的愿望与日俱增。如今，喷气发动机设计师花了很多时间来研究如何使发动机性能更好、飞行距离更远、油耗更低、噪音更小。

在商用飞机上使用的大型涡扇发动机设计中，有一个巨大的多叶片前风扇，大大提高了发动机的进气量，而其中一小部分空气流入内部管道，与喷气燃料混合燃烧。材料和设计的改进将使这些发动机能够运行更长时间、消耗更少的燃料。采用碳纤维复合风机叶片是减轻风机重量的主要因素。

通用航空公司正在大力投资叠加制造技术，采用直接金属激光熔炼（DMLM）技术。该技术是使用一种高功率激光将钴铬金属粉末逐层熔炼在一起（三维打印的一种形式）。这使得生产复杂结构部件比直接使用机械制造要省不少材料。美国联邦航空局（FAA）批准的第一个使用这种叠加材料技术制造的部件是LEAP发动机内部传感器的外壳，由CFM（国际发动机公司，通用航空公司和赛峰飞机发动机公司合资的企业）制造。通用航空公司也在为其发动机研发三维打印燃料喷嘴和其他部件。

陶瓷基复合材料（CMCs）是一种相对较新的材料技术，它可以生产与金属一样坚固的部件，但重量更轻，耐热性更强。LEAP发动机的涡轮罩由陶瓷基体中的碳化硅陶瓷纤维制成，并覆盖一层绝热层。通用航空公司也在测试涡轮叶片和其他由陶瓷基复合材料制造的元件。

普惠公司生产了一种齿轮传动涡扇发动机，该发动机使用速比3：1的变速箱，这使得发动机的每个旋转部分都以最佳速度旋转。低压压缩机叶片的转速是风扇的三倍。这种设计提高了发动机的工作效率。

随着这些创新和越来越多的改进，可以想见未来喷气发动机会更轻、更省油、更安静、更容易维护。

(1) 译注：马赫数为飞行器的飞行速度与飞行器前方或附近未受扰动的空气中的音速的比值。