飞机发动机

劳斯莱斯·梅林(Rolls-Royce Merlin)安装在保存完好的Avro York

飞机发动机(通常称为航空发动机)是飞机推进系统的功率组成部分。使用电源组件的飞机称为动力飞行。大多数飞机发动机是活塞发动机燃气轮机,尽管有些发动机是火箭弹,近年来,许多小型无人机都使用了电动机

制造业

在商业航空中, Turbofan发动机的主要西方制造商是Pratt&Whitney雷神技术的子公司),通用电气Rolls-RoyceCFM InternationalSafran飞机发动机和通用电气的合资企业)。俄罗斯制造商包括联合发动机公司AviadvigatelKlimov中国Aeroengine Corporation于2016年成立,并合并了几家较小的公司。

Pratt&Whitney是通用航空涡轮螺旋桨发动机最大的制造商。通用电气在2015年进入市场的入口。

发展历史

赖特垂直4缸发动机

轴发动机

往复式(活塞)发动机

在线引擎

Ranger L-440气冷,六缸,倒置的在线发动机,用于Fairchild PT-19

在本节中,为了清楚起见,“ Inline Engine”一词仅是指具有单行圆柱体的引擎,如汽车语言所用,但用航空化的话来说,短语“ Inline Engine”也涵盖了V型和对立的引擎(如下所述),不仅限于具有单一气缸的发动机。这通常是将它们与径向发动机区分开来。

直发动机通常具有均匀数量的气缸,但是有三缸发动机的实例。内联引擎的最大优点是,它允许飞机以低额面积为单位,以最大程度地减少阻力。如果发动机曲轴位于圆柱体上方,则称为倒置发动机:这使螺旋桨高高安装以增加地面间隙,从而使起落架较短。内联引擎的缺点包括较差的功率与权重比,因为曲轴箱和曲轴较长,因此很重。在线发动机可能是气冷或液冷的,但是液体冷却更为常见,因为很难获得足够的空气流以直接冷却后缸。

内联引擎在早期飞机中很常见;赖特(Wright)传单中使用了一个飞机,该飞机是首次受控的动力飞行。但是,该设计的固有劣势很快就变得显而易见,并且在现代航空中,内联设计被放弃了。

有关航空内线发动机的其他配置,例如X引擎U-EnginesH-Engines等,请参阅Inline Engine(Aeronautics)

V型引擎

Rolls-Royce Merlin V-12引擎

该发动机中的圆柱体安排在两个在线库中,通常倾斜60-90度,并驾驶普通的曲轴。绝大多数V发动机都是水冷的。 V设计提供的功率重量比与内联引擎更高,同时仍提供较小的额叶区域。该设计中最著名的例子也许是传奇的劳斯莱斯·梅林引擎,这是27升(3列3 )60°V12发动机,以及其他在英国战役中起着重要作用的Spitfires

水平对立的引擎

ULPOPTOR UL260I水平对立的气冷航空发动机

水平对立的发动机,也称为平坦发动机或拳击发动机,在一个位于中心的曲轴箱的相对侧面有两岸的气缸。发动机是空冷的或液冷的,但风冷版本占主导地位。相反的发动机安装在飞机上的曲轴水平面,但可以用直升机的曲轴垂直安装。由于气缸布局,往复力倾向于取消,从而导致运行光滑的发动机。相反的型发动机具有高功率重量比,因为它们具有相对较小的轻质曲轴箱。此外,紧凑的圆柱体布置减少了发动机的额叶区域,并允许简化的安装,以最大程度地减少空气动力阻力。这些发动机总是具有均匀数量的气缸,因为曲轴箱的一侧的一个圆柱体“反对”另一侧的气缸。

迄今为止,相反的,空冷的四缸活塞发动机是迄今为止最常见的通用航空飞机中使用的最常见的发动机,需要每台发动机高达400马力(300 kW)。每台发动机需要超过400马力(300 kW)的飞机往往由涡轮发动机提供动力。

H配置引擎

H配置引擎本质上是一对放置在一起放置的水平对立引擎,将两个曲轴放在一起。

径向发动机

Pratt&Whitney R-2800引擎

这种类型的发动机具有一排或多个圆柱体,该缸位于一个位于中央的曲轴箱周围。每行通常都有奇数的圆柱体来产生平滑的操作。径向发动机每行只有一个曲柄,一个相对较小的曲轴箱,导致功率重量比。由于气缸排列将大量发动机的热辐射表面暴露于空气中,并倾向于取消往复力,因此径向往往会均匀冷却并平稳运行。曲轴箱下方的较低气缸可能会在长时间停止发动机时收集油。如果在启动发动机之前未从气缸中清除这种油,则可能会因静水锁定而造成严重损坏。

大多数径向发动机都在曲轴周围均匀排列了圆柱体,尽管一些早期的引擎有时称为半辐射或风扇配置发动机,它们的布置不均匀。这种类型的最著名引擎是Anzani Engine,该发动机适合于1909年的Bleriot XI ,用于越过英国频道的第一架飞行。这种安排的缺点是需要对曲轴的重重平衡,但被用来避免火花塞上油。

在军用飞机设计中,发动机的大额面积是飞行员的额外装甲层。而且,没有弱势散热器的气冷发动机也很容易造成损害,有时即使射击了一个或多个气缸,有时也会继续运行。但是,较大的额叶区域还导致飞机空气动力学效率低下的额叶区域增加。

旋转引擎

Le Rhone 9C旋转飞机发动机

旋转发动机将圆柱体围绕曲轴箱的圆圈,如径向发动机(见上文),但曲轴固定在机身上,螺旋桨固定在发动机外壳上,使曲轴箱和圆柱体旋转。这种安排的优势在于,即使在低空飞速下,也保持了令人满意的冷却空气流,从而保持了传统空气冷却发动机的重量优势和简单性,而没有其主要缺点之一。第一个实用的旋转发动机是由Seguin Brothers设计的GNOME OMEGA ,并于1909年首次飞行。其相对可靠性和良好的权力与重量比急剧改变了航空。在第一次世界大战之前,使用GNOME引擎飞机获得了大多数速度记录,在战争初期,旋转发动机在飞机类型中占主导地位,速度和敏捷性至关重要。为了增加功率,建造了带有两排圆柱体的发动机。

但是,重型旋转发动机的陀螺仪效应在飞机和发动机中产生了处理问题,因为它们使用了总损失润滑,因此将油与燃料混合并用废气弹出。蓖麻油被用于润滑,因为它不溶于汽油,因此对飞行员的烟气使烟气恶心。发动机设计人员一直都意识到旋转发动机的许多局限性,因此当静态发动机变得更加可靠并提供更好的特定重量和燃油消耗时,旋转发动机的日子被编号了。

Wankel引擎

Schleicher Ash 26E自发射滑翔机的动力装置,从滑翔机上移开,安装在测试架上,以维护在德国Poppenhausen的Alexander Schleicher Gmbh&Co 。从左上方逆时针:螺旋桨轮毂,带皮带指南的桅杆,散热器,Wankel发动机,消音器裹尸布。

Wankel是一种旋转发动机。 Wankel发动机的重量和大小是传统的四冲程周期活塞发动机的重量和大小,具有相等的功率输出,复杂性的重量要低得多。在飞机应用中,功率重量比非常重要,这使得Wankel Engine成为一个不错的选择。由于发动机通常是用铝制外壳和钢转子构造的,并且加热时铝膨胀的膨胀量超过钢,因此与活塞发动机不同,Wankel发动机在过热时不会抓住。这是航空使用的重要安全系数。这些设计的大量发展始于第二次世界大战后,但是当时飞机行业赞成使用涡轮发动机。人们认为,涡轮喷气机涡轮螺旋桨发动机可以为所有飞机提供动力,从最大的设计到最小的设计。 Wankel发动机在飞机上没有找到很多应用,而是在流行的跑车系列中使用的。法国公司的雪铁龙公司在1970年代开发了Wankel Power Iped Re-2直升机

在现代,Wankel发动机已用于紧凑,轻巧和光滑度至关重要的电机滑翔机中。

现已失去的基于Staverton的公司中西部设计和生产的单旋转Aero发动机,中西部AE系列。这些发动机是从诺顿经典摩托车的电动机开发的。 Twin-Rotor版本安装在ARV Super2Rutan Quickie中。单旋风发动机被放入人字形运动滑翔机中,然后进入施莱希尔灰电动机。中西部灭亡后,所有权利都被卖给了奥地利的钻石,后来已经开发了MKII版本的发动机。

作为认证飞机发动机的经济高效替代品,一些Wankel发动机已从汽车中卸下并转换为航空使用,已安装在自制的实验飞机中。马自达单元的输出范围从100马力(75千瓦)到300马力(220 kW)不等,可能是传统发动机成本的一小部分。这种转换首先在1970年代初进行。截至2006年12月10日,国家运输安全委员会只有7份有关涉及马自达发动机飞机的事件的报告,由于设计或制造缺陷,这些事件都没有失败。

燃烧周期

航空发动机最常见的燃烧周期是带有火花点火的四冲程。小型发动机也使用了两冲程火花点火,而压缩柴油发动机很少使用。

从1930年代开始生产实用的飞机柴油发动机开始。通常,柴油发动机更可靠,更适合在中型电源环境下长时间运行。 1930年代的轻质合金并不符合处理柴油发动机更高的压缩比的任务,因此它们通常具有较差的功率重量率,因此尽管有一个原因,但尽管如此,尽管工厂14F柴油机diesel radial Engine(193999 ) )具有与汽油径向相同的功率与重量比。与欧洲的JET A1相比。 Thielert飞机发动机将梅赛德斯柴油机汽车发动机转换为飞机使用,并成为了钻石航空的OEM提供商,以供轻型双胞胎。财务问题困扰着Thielert,因此Diamond的会员(Austro Engine)开发了新的AE300 Turbodiesel ,也基于梅赛德斯发动机。竞争的新柴油发动机可能会给小型飞机带来燃油效率和无铅排放,这代表了几十年来轻型飞机发动机的最大变化。

动力涡轮机

涡轮螺旋桨飞机

Garrett TPE-331涡轮螺旋桨发动机的Cutawa视图,显示了发动机前部的变速箱

虽然军事战士需要很高的速度,但许多民用飞机却不需要。然而,民用飞机设计师希望从燃气轮机发动机提供的高功率和低维护中受益。因此,诞生了将涡轮发动机与传统螺旋桨交配的想法。由于燃气轮机在高速上最佳地旋转,因此涡轮螺旋桨发动机具有降低轴速度的变速箱,以使螺旋桨尖端无法达到超音速速度。通常,驱动螺旋桨的涡轮机与其余旋转组件分开,以便它们可以自身旋转(称为自由涡轮机)。当在其设计的巡航速度领域内操作时,涡轮螺旋桨飞机非常有效,通常为200至400 mph(320至640 km/h)。

涡轮流

Allison型250涡轮轴向发动机与许多类型的直升机共同

涡轮发动机主要用于直升机辅助功率单元。涡轮轴发动机原则上与涡轮螺旋桨飞机相似,但是在涡轮螺旋桨飞机中,螺旋桨由发动机支撑,并将发动机螺栓固定在身上:在涡轮上,发动机没有为直升机转子提供任何直接的物理支撑。转子连接到螺栓固定到机身的变速器,涡轮轴发动机驱动变速箱。某些人将这种区别视为苗条,因为在某些情况下,飞机公司基于相同的设计制作了涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。

电力

自1960年代以来,已经设计了许多电动飞机,例如Qinetiq Zephyr 。有些被用作军用无人机。在2007年下半年,在法国,使用了由锂聚合物电池进行18 kW电动机供电的传统轻型飞机,覆盖了超过50公里(31英里),这是第一架获得航运证书的电动飞机。

2020年5月18日,Pipistrel E-811是Easa授予型号证书的第一电动飞机发动机。 E-811为管道维利斯电子电源提供动力。

已经进行了太阳能推进的有限实验,尤其是载人的太阳能挑战者太阳能冲动以及无人驾驶的NASA探路者飞机。

许多大公司,例如西门子,正在开发用于飞机使用的高性能发动机,SAE也将新的开发项目显示为纯铜核电动机,并具有更高的效率。作为紧急备份和增加起飞的混合系统,由西班牙马德里的Axter Aerospace出售。

小型多层无人机几乎总是由电动机提供动力。

反应引擎

反应发动机通过以高速从发动机弹出废气来产生推动飞机的推力,这是驱动飞机向前的力的最终反应。飞行的最常见的反应推进发动机是涡轮喷气机,涡轮扇和火箭。其他类型(例如PulsejetsRamjetsScramjetsPulse Dastonation发动机)也已经飞行。在喷气发动机中,燃料燃烧所需的氧气来自空气,而火箭作为燃料负载的一部分携带氧气,允许它们在太空中使用。

喷气涡轮机

涡轮喷射

通用电气J85 -GE -17A涡轮喷气发动机。该切片清楚地显示了轴向压缩机的8个阶段在前面(图片的左侧),中间的燃烧室以及发动机后部的两个涡轮机

涡轮喷气机是一种燃气轮机,最初是在第二次世界大战期间为军事战士开发的。涡轮喷气机是所有飞机燃气轮机中最简单的。它由一个压缩机组成,可以吸引空气并压缩空气,一个燃烧区域,燃料被添加和点燃,一种或多个涡轮机,从膨胀的排气气中提取动力以驱动压缩机,以及一个可加速用气的排气喷嘴引擎的背面产生推力。当引入涡轮机时,配备它们的战斗机的最高速度比竞争活塞驱动的飞机快至少100英里。在战后的几年中,涡轮喷射的缺点逐渐变得显而易见。在大约2马赫2的下方,涡轮喷气机的燃料效率非常低,并产生了巨大的噪音。早期设计对变化的反应也非常缓慢,这一事实杀死了许多经验丰富的飞行员,他们试图过渡到喷气机。这些缺点最终导致了纯涡轮增压的衰落,并且只有少数类型仍在生产中。使用涡轮喷气机的最后一架飞机是协和部,其马赫2空速使发动机高效。

Turbofan

CFM56-3 Turbofan发动机的切片

涡轮扇发动机与涡轮喷气机大致相同,但前面有一个风扇扩大,其推力与管道螺旋桨几乎相同,从而提高了燃油效率。尽管风扇像螺旋桨一样产生推力,但周围的管道使它摆脱了许多限制螺旋桨性能的限制。该操作是提供推力的一种更有效的方法,而不是简单地使用喷气喷嘴,并且在飞机速度的一系列飞机范围内,Turbofans比螺旋桨更有效,并且可以在超音速领域中运行。涡轮扇通常具有额外的涡轮阶段来转动风扇。 Turbofans是最早使用多个线轴的发动机之一,即以自身速度旋转的概念轴 - 使发动机使发动机对不断变化的电源需求更快地做出反应。 Turbofans粗略分为低型和高型类别。绕过空气流过风扇,而是在喷气芯周围,而不是与燃料和燃烧混合。该空气与流过发动机芯的空气量的比率是旁路比。由于高推力重量比率,低型发动机是军事应用,例如战斗机等军事应用,而高型发动机则优先用于民用用途,以良好的燃油效率和低噪声。当飞机以每小时500至550英里(每小时800至890公里)(大多数大型客机的巡航速度)以500至550英里(800至890公里)的速度行驶时,高型涡轮量通常是最有效的。低型涡轮风扇可以达到超音速速度,尽管通常仅在加入燃烧器时才能达到超音速速度。

先进的技术引擎

“先进技术引擎”一词是指现代的喷气发动机。原则是,如果各种涡轮机可以以其最佳速度(而不是以相同的速度)旋转,则涡轮发动机将更有效地发挥作用。真正的先进技术发动机具有三个线轴,这意味着没有一个驱动轴,而是三个刀片,以便三组叶片可以以不同的速度旋转。临时状态是双吊杆发动机,仅允许两种不同的涡轮机速度。

脉搏喷气机

脉冲射流是机械简单的设备,在重复周期中,通过发动机前部的无返回阀将空气吸收到燃烧室中,并将其点燃。燃烧迫使排气气将发动机的背面驶出。它产生了一系列脉冲而不是稳定输出,因此产生了功率。这种引擎的唯一应用是第二次世界大战的德国无人驾驶V1飞行炸弹。尽管同一发动机也用于ERSATZ战斗机飞机,但发动机产生的极度响亮的噪声会对机身机械损坏,这足以使这个想法无法正常工作。

Gluhareff压力喷射

Gluhareff压力喷气式飞机(或尖端喷气式飞机)是一种喷气发动机,就像Valveless Pulse Jet一样,没有运动部件。发动机没有运动部件,可以通过在燃烧室中装有盘绕管,该管道将燃料(丙烷)过热之前,然后才注入空气燃料入口。在燃烧室中,燃料/空气混合物点燃和燃烧,在其通过排气管离开时产生推力。燃料/空气混合物的诱导和压缩都是通过注入丙烷的压力以及由燃烧作用在进气堆上产生的声波的。它旨在作为个人直升机和紧凑型飞机(例如微型灯)的发电厂。

火箭

XLR99

一些飞机已使用火箭发动机进行主力或态度控制,尤其是贝尔X-1北美X-15 。火箭发动机不用于大多数飞机,因为能量和推进剂效率非常差,但已用于短暂的速度和起飞。在燃油/推进剂效率不关心的地方,火箭发动机可能会有用,因为它们产生了很大的推力,而且重量很小。

火箭涡轮发动机

火箭涡轮发动机是两种类型的推进发动机的组合:液体螺旋桨火箭和涡轮喷气发动机。其功率重量比比常规喷气发动机高一些,并且在较高的海拔高度上工作。

预冷的喷气发动机

对于非常高的超音速/低超音速飞行速度,将冷却系统插入氢气发动机的空气管中,可以在高速下进行更大的燃油注入,并消除了由耐火或主动冷却材料制成的导管。这大大提高了高速发动机的推力/重量比。

据认为,这种发动机设计可以在5马赫允许对抗飞行的足够性能,甚至允许单阶段绕行车辆实用。混合空气呼吸军刀火箭发动机是正在开发的预冷发动机。

活塞 - 涡轮增压混合动力车

在2018年4月ILA柏林航空展上,基于慕尼黑的研究所DE:Bauhaus Luftfahrt提出了2050年的高效复合循环发动机,将齿轮涡轮增压型活塞发动机核心相结合。直径为2.87 m,16叶片风扇给出了33.7超高的旁路比,由齿轮低压涡轮机驱动,但高压压缩机驱动器来自活塞发动机,带有两个10活塞库,没有高压涡轮机,通过非平稳等级-同位燃烧提高效率,以实现更高的峰值压力和温度。 11,200磅(49.7 kN)的发动机可以为50座的区域喷气机供电。

它的巡航TSFC为11.5 g/kN/s(0.406 lb/lbf/hr)的整体发动机效率为48.2%,燃烧器温度为1,700 k(1,430°C),总压力比为38,峰值为38压力为30 MPa(300 bar)。尽管发动机重量增加了30%,但飞机燃油消耗量降低了15%。欧盟委员会根据Framework 7项目Lemcotec ,Bauhaus Luftfahrt, MTU Aero EnginesGKN Aerospace赞助,2015年提出了这一概念,与2025个发动机相比,降低燃料燃料的总体压力比以上是15.2%。

发动机位置编号

三引擎波音727推力杆,每个都带有相应的发动机编号

在多引擎飞机上,发动机位置从飞行员前进的角度从左到右编号,因此,例如,在波音747等四引擎飞机上,发动机1号在左侧,离机身最远,而3号发动机位于机身最近的右侧。

如果是双引擎电气闪电,该闪电在另一个机身上方有两个机身式喷气发动机,第一发动机1号在下方和2号发动机前面,它位于上方和后面。

Cessna 337 Skymaster推扣双引擎飞机)中,发动机1号是机身前部的一架,而2号发动机是机舱后的。

燃料

飞机往复式(活塞)发动机通常设计用于航空汽油。 AVGA的辛烷值比汽车汽油更高,可在较高的高度下允许更高的压缩比,功率输出和效率。目前,最常见的AVGA是100ll。这是指相对于调节前AVGA的历史铅水平的辛烷值(100辛烷值)和铅含量(LL =低铅)。

炼油厂将AVGA与四乙二醛(TEL)融合在一起,以达到这些高辛烷值,这种做法不再允许用于公路车辆的汽油。 TEL的供应不断收缩以及禁止使用其使用的环境立法的可能性,使得通用航空飞机的替换燃料是飞行员组织的优先事项。

涡轮发动机和飞机柴油发动机燃烧了各种等级的喷气燃料。喷气燃料是基于煤油的挥发性石油衍生物的相对较小的,但具有严格的航空标准,并具有其他添加剂。

模型飞机通常使用硝基发动机(由于使用发光插头,也称为“发光发动机”),该发动机由发光燃料甲醇硝基甲烷和润滑剂)供电。电动模型飞机和直升机也可商购。小型多型无人机几乎总是由电力提供动力,但是开发了较大的汽油动力设计。

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