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1、1 中小型航空发动机的范围、作用和地位 中小型航空发动机主要是指目前应用最广泛的燃气涡轮发动机和少量的活塞式发动机中推力和功率在 中等以下者。关于中小型发动机的界定范围，根据国内外业内人士的共识，可以把中型涡喷/涡扇发动机和 中型涡桨/涡轴发动机的推力和功率上限分别设在5000daN和5000kW。相应的小型发动机的推力和功率上 限分别为500daN和500kW。这样界定的理由是，它们相应的核心机空气流量大致相近，前者为1525kg/s, 而后者为3.05.0kg/s。因而，它们在设计和试验技术上有相同之处。一个典型的例子是，处于中型发动机 上端的AE3000涡扇发动机、AE2100涡桨发动机
2、和T406涡轴发动机采用同一的核心机。目前在使用中的 活塞式发动机功率一般不超过350kW。对于推力/功率分别小于50daN/50kW和5daN/5kW的微型和超微型 发动机不在本文的研究范围。中小型航空发动机的机种多，推力/功率档次差异大，结构类型各不相同，在军用和民用方面有广泛的 用途，在国民经济和国防建设方面有重要的作用和地位：（1）在军用方面，现代战争是立体作战，陆、海、空、天构成一个完整的作战体系，其中采用中小型 发动机的直升机、巡航导弹和无人机以及教练机、轻型强击机和轻型运输机等起到十分重要的作用。（2）在民用方面，支线客机、通用飞机和直升机以及大型飞机的机载辅助动力装置方面有着广
3、阔的应 用前景。（3）在地面应用方面，由中小型航空发动机改型的轻型燃气轮机可应用于坦克、舰艇、移动电站、天 然气和石油管线泵站。（4）在经济方面，在航空燃气涡轮发动机市场上，中小型发动机所占的份额很大。近年来，在世界市 场上，中小型航空发动机在生产台数中占的份额接近90%，在销售额的份额中接近60%。表1 和表2分别示出中小型发动机的用途和市场份额。表 1 中小型航空发动机的目前应用范围涡喷/涡扇涡桨/活塞涡轴/活塞军用中高级教练机 轻型攻击机 轻型运输机 预警机 巡航导弹 大型高速无人机初级教练机 轻型运输机 轻型攻击机 轻型低速无人机各种直升机 辅助动力装置民用支线客机 公务机大型高速无人
4、机农林机公务机 轻型运输机 通用飞机 轻型低速无人机各种直升机 辅助动力装置表 2 20042013 年世界航空燃气涡轮发动机市场预测台数台数份额（）销售额（亿美元）销售额份额（）小发动机和辅助动力装置（APU）4868336.8174.963.86涡轴发动机1971914.91105.815.45涡桨发动机95387.2178.004.02涡喷中轻型战斗/攻击/教练机17481.3225.511.31小轻型运输机/支线客机1516411.46516.3326.58型公务机2404218.18297.3615.31和重型战斗机53744.06217.9011.22涡扇发动机大型重型运输机/干线
5、客机70685.34586.9630.23特种飞机9360.7139.192.02合计1322721001942.021002 中小型航空发动机的技术特点中小型发动机是燃气涡轮发动机的一个特殊领域，它可以借鉴大型发动机的研究成果和试验条件，但 并非是大型发动机的缩型，因而有它自身独特的设计和制造技术，需要专门试验和制造设施，主要有：(1) 中小型发动机较小的空气流量和尺寸造成气动、结构和强度等方面的尺寸效应，即发动机减 小，其气动和机械效率降低。因此要注意研究小尺寸、小流量和低雷诺数条件下的附面层和叶尖间隙有较 大影响的压气机、涡轮和整机气动热力技术，小尺寸高温高容热强度环形回流燃烧室设计技术
6、，小尺寸气 冷涡轮叶片冷却设计和制造技术，以及小尺寸构件的紧凑设计技术。(2) 中小型发动机特别是涡轴发动机多采用轴流/离心压气机，甚至双级离心压气机。因此，要注意 研究高压比离心压气机技术、轴流和离心级的级间匹配技术和离心级的级间匹配技术。(3) 中小型发动机的转子转速通常比大型发动机的高得多。例如功率lOOOkW以下涡轴发动机的燃 气发生器转速常常达到50000rpm，因此高速转子动力学的研究和试验非常重要。要根据在其转速范围内出 现多阶临界转速的情况，研究和选择最佳的支承刚度和阻尼系数，采取有效的减振措施，研究小刚度细长 转子特有的高速甚至全转速动平衡技术。( 4) 对于军用特别是武装直
7、升机发动机，要研究进口粒子分离器和排气红外抑制器技术。(5) 对于无人机特别是高空无人机来说，对不同的发动机需要解决各自的问题。对于往复活塞式发 动机，需要发展增压式发动机。对于旋转活塞式发动机，要解决高空补氧燃烧的冷却问题。对于涡喷/涡扇 发动机，要解决高空低雷诺数条件下的压气机和涡轮性能问题和系统在高空各种的特殊问题。(6) 对于巡航导弹发动机，其特殊的设计要求是：长期储存、一次使用，快速起动，有高的抗畸变 和过载能力，尺寸小、重量轻、结构简单，不维护或少维护，成本低、可靠性高，环境适应性强。为此， 需要发展相关的设计和制造技术。因此，在航空发达的国家内有专门从事中小型航空发动机研制和生产
8、的制造商，如加拿大的普惠加拿 大公司、法国的透博梅卡公司和美国的霍尼韦尔公司。有些大型航空发动机集团，如通用电气公司和罗罗 公司在专门的分部或工厂内研制和生产的中小型航空发动机。政府也有专门的中小型航空发动机技术研究 计划，如美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET )计划中的联合涡轮先进燃气发生器(JTAGG )计划。3 中小型航空发动机的国外发展情况 下面按活塞式发动机、涡喷发动机、涡桨发动机、涡轴发动机和涡扇发动机介绍中小型航空发动机的 国外现状和发展趋势。由于中小型发动机的种类较多，推力/功率档次和结构形式差异很大，其技术进步很 难像大型军用和民用发动机那样用推重比和耗油率来明确地表
9、征，或用代来划分，因此在有些部分只能 视情描述其技术发展情况。3.l 活塞式发动机自涡轮喷气发动机发明以后，特别是第二次世界大战以后，虽然在大型和高速飞机上活塞式发动机逐 步让位给航空燃气涡轮发动机，但是功率在350kW以下的水平对缸活塞式发动机在国内外还被广泛地应用 于低速轻型的飞机和直升机上。当前，最著名的水平对缸发动机制造商是美国的莱康明公司和特里达因大陆公司，它们拥有功率从七 八十千瓦到300多千瓦的48缸的发动机系列，主要用于通用飞机。例如，莱康明公司6缸的0-540系列， 其中有带涡轮增压的，功率范围为170270kW。功率小于100kW的水平对缸活塞式发动机在无人驾驶飞 机上也有
10、广泛的应用。旋转活塞式发动机从20世纪60年代中期开始在轿车和卡车上有少量使用，到90年代中期已有200300 万辆日本东洋公司的马自达轿车装备旋转活塞式发动机。从 80年代起开始用于某些轻型飞机，特别是无人 驾驶飞机。在近来掀起的无人驾驶飞机热潮中，旋转活塞式发动机大有用武之地。目前，使用中的旋转活 塞式发动机的功率一般小于lOOkW，研制中的分层进气旋转活塞式发动机的功率达到200kW。表 3 和表 4 分别示出有代表性的往复活塞发动机和旋转活塞发动机的技术参数和用途表 3 往复活塞式发动机主要技术数据号 型重量 (kg)率kw 油” 耗(k汽缸数用途*-724-4无人机-88-442O无
11、人机56651851-6通用飞机-0312082-6通用飞机-457-4 O2无人机-63-393 a2无人机-68282O4无人机表 4 无人机用旋转活塞式发动机的参数和用途功率(kW)耗油率 (kg/ (kWh)转子数用途432i2 81“无人 机1-/24.9 41X无人机211223 a2无人机5-2无人机,5无人机在无人机活塞式发动机方面，美国NASA正以ROTAX 912 AVGAS活塞式发动机为基础发展一种长航 时无人机用三级涡轮增压/活塞组合式发动机。这种组合式发动机的工作高度达24 km 以上。采用涡轮增压 的目的就是要解决活塞发动机的高空补氧和冷却问题。研究认为，此组合式发
12、动机在油耗方面较涡扇发动 机有较大的优势。与涡扇发动机（以AE3007为例）相比，同等推力条件下组合式发动机的油耗要低40%。 如果全球鹰安装此组合式发动机，起飞重量可减轻3000kg，或起飞重量不变的情况下有效载荷增加1100kg 以上。对于高高空无人机来说，涡轮增压活塞组合发动机将是一种很具吸引力的动力。3.2 涡喷发动机涡喷发动机是最早的航空燃气涡轮发动机,自20世纪40年代投入使用到60年代，推力从几百十牛提 高到近18000daN,推重比从23提高到6.57.0，使飞机的飞行马赫数达到3，被广泛用于军用飞机和巡航 导弹以及民用客机。后来，涡扇发动机的崛起，在军民用领域中逐渐取代涡喷发
13、动机。目前，中型涡喷发 动机仍在一些轻型战斗/攻击机和教练机上继续使用，小型的涡轮喷气发动机则用于巡航导弹、靶机和无人 机上。例如著名的美国战斧式对地巡航导弹有一个型别以及鱼叉式反舰巡航导弹都是用J402涡喷发动 机作动力的。表5列出在使用中的中小型涡喷性能参数和用途。表 5 使用中的中小型涡喷发动机参数和用途85-GE-2美22282.1712508.37.33F-5战1斗机、T38教练机J69美4108501.121061123139552.825.34T37教 练机， BQM34、 BQM145 A靶机J402美2844271.051.221242131056856.5BQM-10 7靶机、“鱼 叉”导 弹WR2/WR24美541071.221.281228124445 33. 644.43MQM74 靶机、 CL-89 “瞄准手”威派尔英111317810.991.091103116556584. 035.22教练 机、靶 机、公 务机TRI60-2法3701.2813233. 746.22巡航导 弹、靶 机TRS18法100180121310193.54.52.765.74靶机、 无人机Arbison法3564231.1410895.53.55OTOMAT 巡航导 弹T117/317国际104108117120120054553.4 45 3
