民用航空涡轮发动机现状与发展趋向

民用航空涡轮发动机现状与发展趋向

黄太平

（厦门大学 机电工程系 福建 厦门 361005）

摘 要：本文综合论述民用航空发动机的现状与发展趋势。根据对民用航空发动机的经济性和可靠性的基本要求出发，从理论上分析了发动机的增压比、涡轮前燃气温度和涵道比等主要参数对发动机性能的影响关系。概括介绍了当前世界上主要的民用涡扇发动机的基本数据、结构特点和应用情况，包括目前主要航空发动机制造商正在研制的GE90-115B、GP7200等高性能涡扇发动机。在此基础上，对民用航空发动机的发展趋向和若干技术关键问题做了扼要的分析，并呼吁加强新型航空发动机的创新研究。 关键词： 航空 民用 发动机 耗油率 可靠性

１．　概述　

一百年前，莱特兄弟的载人的动力飞行器升空，实现了千百年来人类渴求飞行的梦想。而在这短短的一百年中，航空技术已经得到了迅猛发展，在战争中发挥了巨大的空中优势，在国民经济的发展中产生了巨大的推进作用，人们的生活方式也随之带来巨大的变化，从前需要数月甚至数年才能环绕地球旅行，现在乘坐民航班机不到2天的时间就可以完成。

航空的迅速发展是多方面的理论研究和各种技术发展的结果，其中发动机技术的发展起了至关重要的作用。从莱特兄弟“飞行者一号”的12马力4缸活塞式发动机到数万马力的现代涡扇发动机，几代的科学家、工程师和广大的航空业界人士，饱尝了多少艰辛、经历了多少失败，才取得了这一百年来的举世瞩目的巨大成就。在纪念航空一百周年，新世纪之初，回顾一下过去，展望一下未来，对于广大的航空业界、航空爱好者不无益处。

航空器具有广泛的应用，各种不同的应用场合对发动机提出相应不同的要求。本文针对民用涡轮发动机的现状进行简要的综合，并结合航空界对其发展趋向的评述，提出作者的一些见解。

２．　民用航空燃气涡轮发动机的特点　

作为航空发动机，燃气涡轮发动机也已经走过了半个多世纪，从早期的离心式涡轮喷气发动机到单转子轴流式涡轮喷气发动机，从双转子涡轮喷气发动机到低涵道比的涡轮风扇发动机，再到高涵道比的涡扇发动机。对于民用航空发动机来说，围绕着发动机的不断向前发展，主要的特点与要求是：更高的效率、更好的可靠性。

航空公司运营航班，目的是赚钱。在航班的直接运营成本（DOC）中，燃油消耗占相当一部分，越是高效管理的航空公司，燃油的成本越显得重要。因此，必然对发动机的燃油消耗率提出越来越高的要求，也就是说要求不断地降低发动机的燃油消耗率。早期的单转子涡轮喷气发动机的燃油消耗率超过1．00kg/dN.h，双转子涡轮喷气发动机将燃油消耗率降低到大约0．80kg/dN.h，涡扇发动机则进一步将燃油消耗率降低到0．50kg/dN.h，现代高涵道比的涡扇发动机已经将燃油消耗率降低到0．30kg/dN.h的水平。这正是对民用航空发动机高效率或高经济性的不断追求的结果。 航空安全是每一个乘客所要求的，每当发生空难，人们都会一时难于接受而不敢乘坐38

飞机，这不仅使该航空公司的正常运营受到严重的影响，而且还波及其他所有的航空公司的运营。911事件后，民航业大受影响，当然，这和一般所说的航空安全的含义不完全一样。在911事件以前，全世界每年都会发生几十起空难，超过千人遇难。几十年来，随着全世界航班数的不断增加，由于方方面面的努力与进步，每年的空难数和死亡人数反而不断地有所减少。这正是由于人们不断地致力于采取各种措施，提高航空安全的结果。在这些努力中，发动机本身的安全可靠显然起着重要的作用。

早期的民用飞机只用一台发动机，一旦发动机发生无法排除的故障而停止运转，空难势必发生。后来，民用飞机多数采用两台发动机，甚至采用3台或4台发动机，这样，哪怕有一台发动机发生无法排除的故障而停车，飞机也还能够采取必要的措施安全地降落。虽然可以避免空难的发生，但是非计划降落不仅增加航空公司的成本，乘客当然也不会满意的。因此，提高发动机的可靠性，减少发动机的空中停车率，就成为保证飞行安全的重要方面。

发动机的可靠性不仅因直接影响飞行安全而倍受关注，同时也影响到发动机的维护成本，因此也关系到航空公司的直接运营成本。

为了使发动机具有更好的性能，对于军用发动机来说，主要是要有足够高的单位空气流量推力，即流过发动机的每公斤空气所能产生的推力；对于民用发动机来说，主要是发动机要具有最低的燃油消耗率，即每产生单位推力在单位时间内需要消耗的燃油量。为了达到这两个要求，关键是压气机的增压比和涡轮前的最高燃气温度这两个热力参数，而这两个关键参数之间有存在相互制约关系。 发动机的单位空气流量推力可用循环有效功L来表示[1]：

1 ka 1ka1*a （1） L=RgT4 1 kg 1 ηe RaTo π 1 ηkg 1ka 1 cg π kg

式中k——绝热指数，下标g、a分别代表燃气和空气；

R——气体常数，下标g、a分别代表燃气和空气；

T4*——涡轮前燃气温度；

To ——外界大气温度；

π——总增压比；

ηc——压缩效率；

ηe——膨胀效率；

根据最大循环功的条件，由（1）可得最大单位空气流量推力的最佳增压比为：

πopt=(m ηcηe) （2）

式中πopt —最大单位空气流量推力的最佳增压比；

m —与气体常数、绝热指数、最高燃气温度及增压比有关的系数，大约为1.00~1.06； Δ—最高燃气温度对外界大气温度的比值。

显然，最佳增压比与温度比Δ有密切的关系，涡轮前燃气温度越高，能够加入的热量越多，单位空气流量推力就越大；压缩与膨胀过程的效率越高，当然使单位空气流量推力

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提高。而这些又同时使获得最大单位空气流量推力的最佳增压比提高。　

对于民用发动机，主要的要求是降低燃油消耗率。燃油消耗率与单位空气流量推力的关系为　　

sfc=Q　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）　Hu式中sfc —燃油消耗率，即单位时间内产生单位推力所消耗的燃油量；

Q —单位时间消耗的燃油量；

H u—燃油的热值。

随着增压比的提高，压气机出口空气温度也越高，可加入的燃油量便越少。

*Q=CpT4 T3* （4） ()

因此，获得最低燃油消耗率的增压比（最经济增压比）远远高于最大单位空气流量推力的最佳增压比。图1表示在一定的涡轮前燃气温度条件下，增压比对单位空气流量推力和耗油率的关系。显然，最经济增压比大约为最大单位空气流量推力的最佳增压比的2~3倍。具体的数值取决于涡轮前燃气温度及压缩与膨胀过程的效率。随着涡轮前燃气温度和效率的提高，最佳增压比提高。对于民用发动机而言，应尽量接近最经济的增压比。经过几十年的努力，涡轮前燃气温度从早期的不到1000K提高到1750K，压气机的增压比从早期的3~4提高到30~40，大大提高了发动机的性能水平。根据当前使用的涡轮前燃气温度，增压比已经达到或超过单位空气流量推力的最佳增压比，但仍然低于最经济的增压比。

在高亚音速范围内，提高涡扇发动机的涵道比不仅有利于降低耗油率，而且可以大大降低喷气噪音。因此，现代民航旅客飞机几乎没有例外地采用高涵道比的涡扇发动机。

图１　最大单位空气流量推力的最佳增压比和最经济增压比　

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