航空发动机发展历程报.doc

航空发动机发展历程报告航空发动机发展历程报告一、序言序言1903 年 12 月 17 日，美国的莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳 定和可操作的重于空气的飞行器的飞行，首次飞行留空时间仅持续 12 秒，飞行距离为 36.6 米，当天持续最久的一次飞行是由哥哥威尔伯·莱特驾驶的第四次飞行，持续时间 59 秒，飞行距离 260 米这次飞行开创了人类历史的新纪元，对后来百年里人类社会、政治、 经济、文化和军事等方面产生不可估量的影响，并将持续至不可知的未来而航空发动机 作为飞行器的核心部件，在很大程度上决定了航空器的发展水平 航空发动机的发展历程大概可分为两个时期，第一个时期是从莱特兄弟的首次飞行开 始到第二次世界大战结束为止，在这个时期内，活塞式发动机统治了 40 年左右；第二个时 期是从第二次世界大战结束至今，60 余年的时间，航空燃气涡轮发动机逐渐取代了活塞式 发动机，开创了喷气时代，成为航空发动机的主流 如今，航空发动机的第一个百年已经远去，新的航空百年正在赶来，各种新概念、非 传统的航空发动机开始崭露头角，如脉冲爆震发动机、多核心机发动机、组合发动机、模 拟昆虫扑翼飞行的电致伸肌动力发动机和利用螺旋桨推进的太阳能、燃料电池、微波电动 发动机等。

可以想象，未来的航空发动机必定更加稳定与高效，航空发动机的种类也会得 到极大的扩展与充实二、活塞式发动机二、活塞式发动机莱特兄弟首飞所驾驶的“飞行者”一号所用的发动机并非出自著名的企业或发明家， 而是一位普通的修理技工查尔斯·泰勒之手这是一台设有自动进气阀的液（水）冷、四 缸、四冲程直排卧式活塞式汽油发动 机（图 1） ， 图 1 “飞行者”一号发 动机结构示意图汽缸内径 101.5 毫米，冲程 104.8 毫 米，排量 3.398 升，压缩比 4.4，长 期工作功率 9 千瓦（约 12 马力） ，短 期可达 12 千瓦（16 马力） ，净重量 64 千克（无燃料） ，工作重量 81 千 克（带燃料、水和附件） ，功重比约 为 0.148~0.20 马力/千克这些指标 不但令当时技术成熟的蒸汽机望尘莫 及，在当时同类的活塞式发动机中也 是佼佼者，完全可以满足飞行的要求活塞式发动机按汽缸头的冷却方 式可分为液（水）冷式和气（空气）冷式，两种发动机在不同的历史时期扮演者不同的角 色，但基本上是各有千秋，互有短长 1、、 液冷式活塞发动机液冷式活塞发动机 早期飞机的飞行速度很低，多采用液冷式发动机。

液冷式发动机的冷却方法是在汽缸外壁面加水套，用外部循环水进行冷却从 1903 年泰勒为莱特兄弟的“飞行者”一号所制 造的发动机开始，最早的航空发动机几乎无一例外的都采用液冷方式，直至今日，这种方 式还普遍应用在汽车、轮船用活塞发动机上液冷方式虽然简单有效，但必须设置一个循 环冷却系统，除了水箱、水泵、空气散热器和相应的管路系统外，还必须带上一箱沉甸甸 的“非饮用水” ，复杂而笨重，对于每一克质量都要斤斤计较的飞机设计师而言，无疑是弃 之而后快的但液冷式发动机迎风面积小，空气阻力也小，对于追求速度的作战飞机而言 无疑具有很大的优势，尤其是在整流罩技术广泛应用之前 第一次世界大战的爆发，极大地推动了航空工业的发展，由于战争参与国主要处于欧洲所以美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但其航空工业并不先进，法 国在当时处于领先地位在前线的美国航空中队的 6287 架飞机中有 4791 架时法国飞机， 如装备伊斯潘诺-西扎 V 型液冷发动机的“斯佩德“战斗机这种发动机的功率已达 130~220kW, 功重比为 0.7kW/daN 左右飞机速度超过 200km/h，升限 6650m 在两次世界大战之间，在活塞式发动机领域出现几项重要的发明，为大幅度提高发动 机和飞机的性能创造了条件： (1) 发动机整流罩既减小了飞机阻力，又解决了气冷发动机的冷却困难问题，甚至可 以的设计两排或四排汽缸的发动机，为增加功率创造了条件； (2) 废气涡轮增压器提高了高空条件下的进气压力，改善了发动机的高空性能： (3) 变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出； (4) 内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题； (5) 向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一： (6) 高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸内燃烧前压力由 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。

由于技术的进步，气冷发动机变得越来越重要，应用也越来越广泛但液冷发动机凭 借着在空气阻力方面的优势仍然占据着一定的地位，特别是是对高速战斗机来说，由于它 的飞行高度高，受地面火力的威胁小，液冷发动机易损的弱点不突出所以，它在许多战 斗机上得到应用 二战期间，同样由于战争的推动，活塞式发动机进入历史上的最高峰，同时也出现了 最初的燃气涡轮发动机在此之间，液冷发动机也得到大规模应用，例如，美国在这次大 战中生产量最大的 5 种战斗机中有 4 种 采用液冷发动机其中，值得一提的是 英国罗罗公司的梅林发动机（图 2） 它在 1935 年 11 月在“飓风”战斗机上首次飞行时，功率达到 708kW；1936 年在“喷火”战斗机上飞行时，功率提高到 783kW 这两种飞机都时第二次世界大战期间有名的战斗机，速度分别达到 624km／h 和 750km／h梅林发动机的功率在战争末期达到 1238kW，甚至创造过 1491kW 的纪录美 国派克公司按专利生产了梅林发动机，用于改装 p-51“野马”战斗机，使一种平常的飞机 变成战时最优秀的战斗机野马”战斗机采用一个不常见的五叶螺旋桨，安装梅林发动机后，最大速度达到 760hn／h，飞行高度为 1 5000m。

除具有当时最快的速度外，“野马” 战斗机的另一个突出的优点是有惊人的远航能力，它可以把盟军的轰炸机～直护送到柏林 到战争结束时，“野马”战斗机在空战中共击落敌机 4950 架，居欧洲战场的首位在远东 和太平洋战场上，由于“野马”战斗机的参战，才结束了日本“零”式战斗机的霸主地位 航空史学界把“野马”飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作 2、、 气冷式活塞发动机气冷式活塞发动机 由于液冷式发动机的冷却占据了太多的质量，而飞机在飞行当中总有强烈气流迎面而 来，于是气冷式的设想由此而来1908 年 8 月 22 日，在法国兰斯举行了历史上首次世界 航空博览会，这也就是现在著名的巴黎航展的前身在这次博览会上，法国人塞甘兄弟发 明的旋转气缸式发动机——“土地神”活塞发动机（图 3）引起了大会的轰动这是一台 五缸星形发动机，功率达 50 马力（37 千瓦） ，功重比达到 0.69.这些指标是当时的液冷发动 机所望尘莫及的该发动机的最大特点是取消了飞轮和液冷装置，曲轴固定而让汽缸与螺 旋桨一起转动这种结构的发动机无论在飞行中还是在地面静止状态，都可以让汽缸得到 有效的冷却，同时按奇数呈星型排列的汽缸本身还可以起到飞轮的作用，减轻了重量，使 发动机运行更加平稳。

另外，该发动机暖机快、起动快，并且在汽缸外壁采用了大量薄壁 散热片，外形光洁利索，迎风阻力小这些优点是的发动机重量轻、阻力小、加速快，特 别适合与战斗机使用 这种发动机在一战中风行一时，几乎成了战斗 图 3 “土地神”发动机 机的标准装备，中国当时的北洋政府也从法国购 买了装备这种发动机的“高德隆”型飞机，并参 与了 1915 年反对张勋复辟的战斗，是中国最早 的一次空中军事行动但这种发动机也有其突出 的缺点：一是寿命短，一般不到 50 小时；二是 油耗大；三是由于汽缸数目不能太多，限制了发 动机功率的增加，最大功率一般不会超过 270 马 力（200 千瓦） ；四是由于汽缸质量大，旋转时会 产生严重的陀螺效应，影响了飞机的操纵性能 此外，旋转气缸发动机的润滑油易溅出，引入转 动汽缸的油管易失火等随着新型的气冷星型发 动机的出现，旋转汽缸发动机在一战后逐渐被淘汰 活塞式发动机提高功率最简单也是最直接的方法就是增加汽缸数，而星型发动机就是 气缸成星形排列的发动机，一般采用气冷方式随着一战结束，受到新的战争威胁的国家 开始抓紧研究新的发动机，航空发动机技术得到了很大的发展。

在此期间，在整流罩解决 了阻力和冷却问题后，气冷星型发动机由于有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性 好，功率增长潜力大等优点而得到迅速发展，并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机 上取代液冷发动机在 20 世纪 20 年代中期，美国莱特公司和普惠公司先后发展出单排的 “旋风”和“飓风”以及“黄蜂”和“大黄蜂”发动机，最大功率超过 400kW，功重比超 过 lkWMaN到第二次世界大战爆发时， 由于双排气冷星型发动机的研制成功，发 动机功率已提高到 600～820kW此时， 螺旋桨战斗机的飞行速度已超过 500km／h，飞行高度达 10000m 在第二次世纪大战期间，气冷星型发 动机继续向大功率方向发展其中比较著名的有普惠公司的双排“双黄蜂”((R-2800)和四排“巨黄蜂”(R-4360)前者在 1839 年 7 月 1 日定型，开始时功率为 1230kW， 图 4 双黄蜂（R-2800）星型气冷发动机 共发展出 5 个系列几十个改型，最后功率达到 2088kW，用于大量的军民用飞机和直升机单单为 P-47 战斗机就生产了 24000 台 R- 2800 发动机（图 4） ，其中 P-47 J 的最大速度达 805km／h。

虽然有争议，但据说这是第二 次世界大战中飞得最快的战斗机这种发动机在航空史上占有特殊的地位在航空博物馆 或航空展览会上，R-2800 总是放置在中央位置甚至有的航空史书上说，如果没有 R-2800 发动机，在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多后者有四排 28 个汽缸，排量为 71.5L，功率为 2200~3000kW，是世界上功率晟大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机 和运输机1941 年，围绕六台 R-4360 发动机设计的 B-36 轰炸机是少数推进是飞机之一， 但未投入使用莱特公司的 R-2600 和 R-3350 发动机也是很有名的双排气冷星型发动机 前者在 1939 年推出，功率为 1120kW，用于第一架载买票旅客飞越大西洋的波音公司“快 帆”314 型四发水上飞机以及一些较小的鱼雷机、轰炸机和攻击机后者在 1941 年投入使 用，开始时功率为 2088kW，主要用于著名的 B-29“空中堡垒”战略轰炸机R-3350 在战 后发展出一种重要改型——涡轮组台发动机发动机的排气驱动三个沿周向均布的废气涡 轮，每个涡轮在最大状态下可发出 150kW 的功率这样，R-3350 的功率提高到 2535kW， 耗油率低达 0.23kg／(kW．h)。

1946 年 9 月，装两台 R-3350 涡轮组合发动机的 P2V1“海 王星”飞机创造了 18090km 的空中不加油的飞行距离世界纪录 在第二次世界大战开始之后和战后的最主要的技术进展有直接注油、涡轮组合发动机、 低压点火在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到 10 kw 增 加到 2500kw 左右，功率重量比从 0.11 kW／daN 提高到 1.5 kW／daN 左右，升功率从每升 排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约 0.50 kg／(kWh)降低到 0.23-0.2 7 kg／(kwh) 翻修寿命从几十小时延长到 2000-3000h到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发 展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从 16km／h 提高到近 800km／h，飞行 高度达到 15000m可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰 3 3、、 活塞式发动机的现状活塞式发动机的现状 正所谓物极必反。