16张动图讲解航空发动机分类及原理
16张动图讲解航空发动机分类及原理
航空发动机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。
01 活塞发动机
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航空发动机原理对航空发动机⽽⾔，最先使⽤的就是活塞式发动机，其⼯作原理是指活塞承载燃⽓压⼒，在⽓缸中进⾏反复运动，并依据连杆将这种运动转变为曲轴的旋转活动。
在20世纪初期，莱特兄弟将⼀台4缸、⽔平直列式⽔冷发动机改装后，成功⽤到了“飞⾏者⼀号”飞机上，完成了飞⾏试验。这也是⼈类历史上第⼀次具有动⼒、可以载⼈、平稳运⾏、可操作的飞⾏器成功飞⾏。在第⼆次世界⼤战中，活塞式发动机得到了技术⾰新，优化了发动机的性能和运⾏效率。
活塞式发动机主要由⽓缸、活塞、连杆、曲轴、⽓门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。⽓缸是混合⽓（汽油和空⽓）进⾏燃烧的地⽅，⽓缸内容纳活塞做往复运动。发动机⼯作时⽓缸温度很⾼，所以⽓缸外壁上有许多散热⽚，⽤以扩⼤散热⾯积。
▲活塞式星型发动机
⽓缸在发动机壳体（机匣）上的排列形式多为星形或V形。常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个⽓缸不等。在单缸容积相同的情况下，⽓缸数⽬越多发动机功率越⼤。
▲活塞式星型发动机
在喷⽓发动机出现之前，活塞式飞机发动机⼤多采⽤星型设计，因其曲轴短战场⽣存性强，结构紧凑占⽤飞机空间⼩⽽被舰载机⼴泛使⽤，其余发动机则采⽤V型设计。
▲星型发动机⽤于飞机
星型发动机沿轴向放置在机头，输出轴直接连接桨叶，⽐直列式活塞发动机更合理的利⽤了空间，省去了减速机构和动⼒变向传递机构等，利于减轻机⾝重量，使机体更灵活。
02 涡喷/涡扇发动机
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20世纪30年代后期到20世纪40年代初，喷⽓发动机在英国和德国的诞⽣，开创了喷⽓推进新时代和航空事业的新纪元。现代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，就必须遵循热机的做功原则：在⾼压下输⼊能量，低压下释放能量。喷⽓式发动机和活塞式发动机都需要有进⽓、加压、燃烧和排⽓这四个阶段。
不同的是，在活塞式发动机中这四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四个⼯作位置。
空⽓⾸先进⼊的是发动机的进⽓道，当飞机飞⾏时，可以看作⽓流以飞⾏速度流向发动机，由于飞机飞⾏的速度是变化的，⽽压⽓机适应的来流速度是有⼀定的范围的，因⽽进⽓道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。
进⽓道后的压⽓机是专门⽤来提⾼⽓流压⼒的，空⽓流过压⽓机时，压⽓机⼯作叶⽚对⽓流做功，使⽓流的压⼒，温度升⾼。在亚⾳速时，压⽓机是⽓流增压的主要部件。
从燃烧室流出的⾼温⾼压燃⽓，流过同压⽓机装在同⼀条轴上的涡轮。燃⽓的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压⽓机旋转，在涡轮喷⽓发动机中，⽓流在涡轮中膨胀所做的功正好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，涡轮前的燃⽓能量⼤⼤增加，因⽽在涡轮中的膨胀⽐远⼩于压⽓机中的压缩⽐，涡轮出⼝处的压⼒和温度都⽐压⽓机进⼝⾼很多，发动机的推⼒就是这⼀部分燃⽓的能量⽽来的。
从涡轮中流出的⾼温⾼压燃⽓，在尾喷管中继续膨胀，以⾼速沿发动机轴向从喷⼝向后排出。这⼀速度⽐⽓流进⼊发动机的速度⼤得多，使发动机获得了反作⽤的推⼒。
03 涡桨/涡轴发动机
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涡桨/涡轴发动机是在涡喷发动机诞⽣、成熟后，将活塞发动机涡轮化⽽研制发展的新型动⼒。涡桨发动机代替活塞螺旋桨发动机⽤于固定翼飞机，涡轴发动机代替活塞轴发动机⽤于旋翼直升机。
涡桨、涡轴发动机主机结构基本是⼀样的，只是中间减速传动系统和推进器不同，所以⼆者有较⼤的通⽤性，容易互相改型派⽣。
涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机，由螺旋桨和燃⽓发⽣器组成，螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的直径较⼤，转速要远⽐涡轮低，只有⼤约1000转/分，为使涡轮和螺旋桨都⼯作在正常的范围内，需要在它们之间安装⼀个减速器，将涡轮转速降⾄⼗分之⼀左右后，才可驱动螺旋桨。
这种减速器的负荷重，结构复杂，制造成本⾼，它的重量⼀般相当于压⽓机和涡轮的总重，作为发动机整体的⼀个部件，减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。
涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空⽓流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径⽐发动机⼤很多，⽓流量也远⼤于内涵道，因此这种发动机实际上相当于⼀台超⼤涵道⽐的涡轮风扇发动机。
由于涵道⽐⼤，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率要⾼于涡轮风扇发动机，但受到螺旋桨效率的影响，它的适⽤速度不能太⾼，⼀般要⼩于900km/h。在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭⽕等类型飞机中的到⼴泛应⽤。
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