第1章绪论
航空动力装置的功能是为航空器提供动力，推动航空器前进，所以航空动力装置也称为航空推进系统。它包括主机部分，以及为保证其正常工作所必需的系统和附件，如燃油系统、滑油系统、起动系统、点火系统和防火系统等，通常统称为航空发动机。航空发动机是飞机性能、成本和可靠性的决定性因素，也正是因为如此，航空发动机被称为飞机的心脏。
航空发动机在军、民用飞行器领域具有广泛的应用，且自身具有很高的经济价值，因而对国防和国民经济可产生巨大的效益。在军事方面，如美国实施的综合高性能涡轮发动机技术（Integrated High-PerformanceTurbo-Engine Technologic，IHPTET)项目，计划到2005年各部件的先进性达到：由各部件装配形成的发动机能使发动机的推重比达到20、耗油率比1998年的发动机低40%。据估计，该目标实现后，打一场像海湾战争那样规模的战争，美国所需的飞机机队规模可以缩小1/2。在经济方面，据统计，以单位重量计，航空发动机、旅客机、计算机、轿车和轮船的价值比为1400:800:300:9:1。由此可见，航空发动机是一种高附加值的产品。航空发动机的价格和航空发动机工业的产值分别占飞机和航空工业的20%～30%。据估计，1998～2007年世界航空发动机销售和维修市场总值约为3500亿美元，此外还有相当规模的航空改型燃气轮机市场。作为一种高技术产品，航空发动机的发展对其他行业如冶金、机械、电子、仪表、化工、石油等非航空动力工业也有重要的带动和促进作用。
因此，航空事业发达的国家都认为先进的发动机技术对保持军事和商业竞争优势发挥着重要作用，把优先发展发动机技术作为国策，制定了长远的、高投人的发动机技术发展计划，并严禁向别国转移发动机技术。
1.1航空发动机的发展历程
人类早就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，也曾做过各种尝试，但多半因动力源问题未得到解决而归于失败。随着活塞式内燃机于19世纪末成功地用于汽车，人们开始设法利用这种发动机来实现动力飞行。1903年12月17日，莱特兄弟在总结前人经验教训的基础上，把一台四缸直列式水冷发动机改装后成功地用到他们的飞机上，完成了世界上第一次公认的动力飞行。当时这台发动机功率只有8.95kW，重量为81kg，功重比只有莱特兄弟的首次动力飞行使得几千年来由少数人从事的飞行探索事业在后来的百年中发展成为对世界政治、军事、经济和技术乃至人们的生活方式都产生重要影响的航空业。
1.1.1活塞式发动机
战争是技术的催化剂。二战以前，所有飞机都采用活塞式发动机作为动力，这种发动机本身不能产生向前的推力，而是驱动一副螺旋桨，使螺旋桨在空气中旋转，以此拉动飞机前进。两次世界大战，把活塞式发动机技术推向顶峰。经过历时4年的第一次世界大战，发动机功率从75kW左右提高到313kW，功重比提高到0.77kW/daN，从而使飞机的速度从100km/h提高到200km/h。
在第二次世界大战期间，活塞式发动机继续得到发展。首先是成功地为气冷式发动机设计了整流罩，减小了阻力，改善了冷却，使得气冷式发动机得到了迅速发展，在轰炸机、运输机和攻击机上逐步取代了液冷式发动机。其间，另外两项重大改进是采用废气涡轮增压器和变距螺旋桨，增大了发动机功率和工作高度，并改善了螺旋桨特性。
美国普惠公司的“黄蜂”系列气冷星型发动机发挥了巨大作用。这种星型发动机可以有单排、双排，甚至四排的布置，汽缸数从7到28个，功率从970kW到2500kW，功重比达到1.5kW/daN左右。其中“双黄蜂”R-1830是历史上应用最多的活塞式发动机（图1.1)，它装备了19000架B-24轰炸机和10000架C-47运输机。
但液冷式发动机的迎风面积小，适合用于高速战斗机，而且，在高空其液冷系统易损性的弱点不突出，因此它在战斗机上仍获得应用。在第二次世界大战期间，比较著名的液冷式发动机有英国的“梅林”，这种V型12缸发动机功率从597kW逐步提高到1120kW，用于著名的“飓风”“喷火”和“野马”战斗机，其中，美国的“野马”战斗机飞行速度达760km/h，飞行高度达15000m。
当飞机的速度达到800km/h时，由于螺旋桨始终在高速旋转，桨尖部分的气流相对速度实际上已接近声速，这种跨声速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧降低，推力下降。同时，由于螺旋桨的迎风面积较大，带来的阻力也比较大，而且随着飞行高度的上升，大气变得稀薄，活塞发动机的功率也会急剧下降。这几个因素综合在一起，限制了活塞发动机进一步的发展，使得“活塞发动机+螺旋桨”这种推进模式走到了尽头。为了进一步提高飞行性能，必须采用全新的推进模式，燃气涡轮发动机应运而生。
1.1.2燃气涡轮发动机
将燃气涡轮发动机用于飞机动力的研究工作始于20世纪20年代。在燃气涡轮发动机发展过程中，首先出现的是涡轮喷气(简称涡喷)发动机。当时美、苏、德、英等国都有人提出了各种燃气涡轮喷气发动机专利和方案，并进行研究工作。英国空军少校Whittle于1930年1月16日申请了第一项飞机推进专利，经过多年研究试验，终于在1937年4月12日成功试制了世界第一台Whittle离心式涡轮喷气发动机WU(图1.2)，推力为200daN。
相比于活塞发动机，涡喷发动机进气量大，进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程是同时进行的，即做功是连续的。因此，涡喷发动机做功能力比活塞发动机大很多，而且发动机本身就是推进器，不像活塞发动机需要限制飞行速度的螺旋桨作为推进器。由于具有这些有利条件，所以当涡喷发动机发明以后，推进技术取得了突飞猛进的进展，使飞机的性能和任务能力取得了重大突破，特别是使飞机突破了声障，实现了超声速飞行。
涡喷发动机虽然具有推力大、质量轻、能适应高空飞行的特点，但它的经济性却较差。这是因为它的大推力是由高速喷出的高温燃气得到的，所以不可避免要将大量本来可用的热能和动能排出发动机外，造成能量损失，使耗油率变大。为此，20世纪50年代初发展了耗油率较小的涡轮螺旋桨（简称涡桨）发动机。它采用螺旋桨作为推进器，所以这种发动机也只适用于亚声速飞行，一般飞行马赫数在0.6～0.7。另外，由于螺旋桨与减速器的限制，功率也不可能太大。20世纪50年代中期发展的中、小型客机、运输机大多采用涡桨发动机作为动力。
20世纪40年代美国成功研制出世界上第一台涡轴发动机。这种发动机的构造与涡桨发动机的结构很相近，只是将螺旋桨变为直升机的旋翼，通过动力涡轮膨胀做功提取高温高压燃气中的能量，将这部分能量转换为轴功率驱动旋翼使得直升机腾空飞翔。1951年12月，装有涡轮轴发动机的直升机进行了首次飞行。迄今为止，涡轴发动机在直升机、舰船用动力装置及地面发电等方面得到了广泛的应用。
20世纪50年代末，出现了小涵道比的涡轮风扇（简称涡扇）发动机，其性能介于涡喷和涡桨两种发动机之间，耗油率比涡喷发动机低约1/3，而且噪声较低;20世纪60年代初新研制的旅客机多采用这种发动机作为动力，而原来采用涡喷发动机作为动力的飞机，如波音707客机、B-52轰炸机等也很快换装涡扇发动机，使自身性能得到较大改善。
由于涡扇发动机有内外两个涵道，迎风面积大，所以在涡扇发动机发展初期，普遍认为很难在高速战斗机上应用这种发动机。但是，当采用了各种新技术与高循环参数研制的带加力燃烧室的小涵道比涡扇发动机(具有高的推重比）在20世纪70年代出现以后，彻底改变了人们对涡扇发动机的偏见。此后，新研制的高性能战斗机都采用了加力式小涵道比涡扇发动机作为动力。
与此同时，为满足发展远程巨型运输机、宽体旅客机的需要，于20世纪70年代初研制了大涵道比、高增压比、高涡轮前燃气温度的大推力、低耗油率的涡扇发动机，并在随后的三十多年中，不断为多种旅客机研制出性能越来越好的多型发动机。
开式转子发动机是20世纪80年代发展的一种新型节能发动机。有时称为无涵道风扇（unducted fan，UDF)发动机或超高流量比（ultra-high bypass ratio，UHBPR)涡扇发动机。它比现有的涡扇发动机省油，经济性接近涡桨发动机的水平，又可以接近涡扇发动机的飞行马赫数巡航。但是，由于开式转子发动机结构复杂，噪声大，而且叶片直接暴露于大气中，不像高涵道比涡扇发动机在风扇外有专门的包容环，叶片折断后能被包容环包容住。因此，开式转子发动机的使用安全性存在隐患。更重要的是，当时的燃油价格与燃油储量并未像预测那样会对航空运输带来极大的负面影响，因此西方国家的开式转子发动机经过几年的发展后，逐渐淡出了人们的视线。例如，美国通用电气公司和法国国营航空发动机研究制造公司当年共同投资10多亿美元，研制成的开式转子发动机（UDF，图1.3)，由于前述原因，不得不放弃研制计划。但是，苏联和俄罗斯坚持了开式转子发动机的研制工作，最终研制出用于安-70军用运输机的D-27开式转子发动机(图1.4)，该发动机单台功率10400kW。进入21世纪后，航空运输量大幅增加，开式转子发动机有望重新兴起。
在大涵道比涡扇发动机中，风扇均由低压涡轮驱动。一般在风扇转子后还装有3～5级增压级，以增加发动机的总压比以及内涵的空气流量。由于风扇直径很大，就必须使风扇转子在较低的转速下工作，当风扇（加上增压级）是由低压涡轮直接驱动时，增压级的转速就会大大低于其最佳工作转速。为达到发动机总体的设计要求，只得增加增压级及低压涡轮的级数。因此这种设计的缺点是增压级未在它们的最佳转速下工作，使得发动机级数增多。如果在增压级与风扇之间装一个减速器，就可使低压涡轮及增压级在最佳转速下工作，然后通过减速器，使转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作，使风扇、增压级/低压涡轮均在最佳转速下工作，自然使发动机的级数减少。PW1000G系列发动机就是依据这一理念而设计的先进涡轮风扇发动机，是美国普惠公司为赢得正在逐渐失去的民用发动机市场而研发的先进大推力大涵道比涡扇发动机。2008年，该系列发动机被正式命名为齿轮传动涡扇（geared turbofan，GTF)发动机。目前，已发展了PW1200G、PW1500G、PW1100G、PW1400G四款不同推力级的GTF发动机，装机对象包括三菱MRJ支线飞机、庞巴迪C系列飞机和空客A320neo。
自第一台涡喷发动机诞生以来，经过80余年的历程，航空燃气涡轮发动机取得了长足进展。到目前为止，燃气涡轮发动机不仅品种齐全，机型繁多，而且性能也达到了较高的水平，基本上满足了各类飞行器发展的要求，同时也促使飞机性能不断提高，对飞机的发展做出了重要贡献。
航空发动机的发展史揭示了这样一个真理：航空发动机这一新生事物的产生和发展是和社会的需要分不开的;也是和航空发动机的理论基础、试验研究，以及与之配套的科学技术发展水平（如高效率的叶片机、能承受高温的材料和各种先进的加工方法等）分不开的。
1.2航空燃气涡轮发动机的基本类型
1.2.1概述
航空推进系统按其组成和工作原理可分为两大类：一类是直接反作用推进系统，另一类是间接反作用推进系统，如图1.5所示。
直接反作用推进系统中，发动机直接将工质加速产生反作用推力，属于这一类的航空发动机有涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机和冲压喷气发动机。在这一类系统中发动机本身即构成飞行器的推进系统。火箭发动机也是直接反作用推进系统，但它自带推进剂(包括燃料和氧化剂），不依赖外界空气，因而可以在大气层以外的空间工作，主要用于航天器和导弹。
间接反作用推进系统中，发动机只将燃料燃烧产生的化学能转换成有效功率，以轴功率形式输出，推力则要靠专门的推进器产生。推进器有飞机的螺旋桨和直升机的旋翼。属于这类的发动机有活塞式、涡轮螺旋桨、开式转子、涡轮轴发动机及航空电动机。在这一类系统中，发动机与推进器组合成飞行器的推进系统。
航空发动机主要包括活塞式发动机、燃气涡轮发动机和冲压发动机三大类。其中燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，其中包括涡轮
