航空發動機有哪些種類？

燃氣渦輪發動機做為航空發動機中絕對的主流，主要包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機四種。

1.渦輪噴氣發動機

渦輪噴氣發動機由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附件傳動裝置與附屬系統等組成。自由流空氣首先由進氣道引入發動機，之后壓氣機將進入發動機的空氣減速增壓，為燃燒室提供高壓空氣，以提高發動機熱力循環的效率，在燃燒室里燃料燃燒使氣體溫度大大增高，從燃燒室里流出的具有很高能量的高溫高壓燃氣驅動渦輪高速旋轉并產生大的功率，由渦輪軸輸出機械功，最后從渦輪流出的仍有一定能量的燃氣在尾噴管中膨脹加速，以較大的速度排出發動機從而產生推力，對于有加力燃燒室的渦輪噴氣發動機，渦輪后的氣流會在加力燃燒室中再噴入燃油進行補充燃燒，以增加燃氣流出尾噴管前的能量，加大噴氣速度，從而增加推力。

按照壓氣機的類型不同，渦輪噴氣發動機可以分為離心式渦輪噴氣發動機和軸流式渦輪噴氣發動機。早期渦輪噴氣發動機大多為離心式，離心式壓氣機結構簡單，制造方便，堅固耐用，工作穩定性高。但是離心式發動機單位迎風面積大，效率、增壓比和流通能力不如軸流式壓氣機，推力收到限制，所以從20世紀 50 年代后，推力稍大的大中型發動機均采用了軸流式壓氣機，只有小型渦輪螺旋槳和渦輪軸發動機仍采用離心式或者軸流離心組合式壓氣機。

軸流式渦輪噴氣發動機按發動機轉子結構不同，又可分為單轉子和雙轉子渦輪噴氣發動機。單轉子渦輪噴氣發動機的壓氣機和渦輪共用一根軸，結構簡單，造價低廉，是早期渦輪噴氣發動機多采用的結構，但是單轉子穩定工作的范圍窄，隨著增壓比的提高，單轉子渦輪噴氣發動機已經被雙轉子發動機所取代。雙轉子發動機將壓氣機和渦輪分為高壓和低壓兩級，高壓壓氣機和高壓渦輪連接形成高壓轉子，低壓壓氣機和低壓渦輪連接形成低壓轉子，低壓轉子的傳動軸從高壓轉子中穿過，兩個轉子可以以各自最佳的工作轉速轉動，從而具有總增壓比高、效率高、穩定工作范圍寬、啟動功率小、加速性好等特點。

渦輪噴氣發動機從 20 世紀 40 年代中后期開始服役至今，已發展到第三代。第一代渦輪噴氣發動機用于裝備亞音速戰斗機，推重比很小只有 2-3，均為單轉子發動機，一部分是離心式發動機，一部分是軸流式發動機。第二代渦輪噴氣發動機主要用于裝備第一代超音速戰斗機，于 20 世紀50 年代中期開始服役，推重比為 4-5，多是單轉子加力式渦輪噴氣發動機，結構相對簡單，性能還較低，研制周期較短，從方案設計到定型一般不到 5 年。第三代渦輪噴氣發動機主要用于裝備第二代超音速戰斗機，于20 世紀50 年代末60年代初開始，主要由蘇聯發展研制，此時美、英等西方國家已開始發展使用第一代渦輪風扇發動機，這一代渦輪噴氣發動機是雙轉子加力式渦輪噴氣發動機，性能較高，推重比為 5.5-6.5。渦輪噴氣發動機發展到第三代已達到巔峰，之后世界各國基本轉向發展渦輪風扇發動機。

2.渦輪風扇發動機

由高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪構成的核心機和由低壓渦輪及其所帶動的風扇共同組成的發動機就是渦輪風扇發動機。自由空氣流在風扇中增壓后，分成兩股向后流，一股流入核心機并最終由尾噴管流出，稱為內涵氣流，一股由核心機機匣和外涵機匣間的環形流道中流出，稱為外涵氣流，內外涵兩股氣流產生的推力之和就是渦輪風扇發動機的推力。外涵與內涵空氣流量之比稱為涵道比，這是影響渦輪風扇發動機性能好壞的一個重要循環參數。

渦輪風扇發動機中，由高壓渦輪流出的燃氣需要先在低壓渦輪中膨脹做功，會消耗掉很多能量，流出低壓渦輪后燃氣溫度和壓強會大大降低，因此內涵道中的氣流所產生的推力要比渦輪噴氣發動機低些，但是尾噴管的排氣能量損失會小很多，同時低壓渦輪帶動風扇轉動，壓縮外涵道空氣噴出，也產生一定推力，內外涵氣流的總推力是比渦輪噴氣發動機大的，而且能量損失又降低了，經濟性優于渦輪噴氣發動機。高涵道比渦輪風扇發動機（涵道比為 4-9）排氣速度低、推進效率高、經濟性好，適用于大型遠程客機和運輸機，但是高涵道比渦輪風扇發動機迎風面積大，不適合做超音速飛行，一般戰斗機用的加力渦輪風扇發動機的涵道比大多小于 1。

20 世紀 60-70 年代，普惠公司曾憑借 JT 系列小涵道比渦輪風扇發動機統治了全球民用發動機市場，但由于對技術進步估計不足以及 70 年代全球燃油危機帶來的沖擊，CFMI 公司（GE 航空和賽峰公司合資公司）憑借一款更大涵道比從而更省油的全新渦輪風扇發動機-CFM-56，挑戰了普惠公司的霸主地位，并最終在窄體干線客機市場獨占鰲頭。進入 21 世紀后，CFMI 公司又研發出 LEAP 系列渦輪風扇發動機，相比CFM-56在燃油消耗和碳排放上均明顯減少，而且噪音更低，是目前主流窄體客機 A320neo、737MAX以及C919共同的動力選擇。

兩種另辟蹊徑的技術升級之路——三轉子渦輪風扇發動機和齒輪傳動渦輪風扇發動機。渦輪風扇發動機中，低壓渦輪帶動風扇和低壓壓氣機一起轉動，但是風扇和低壓壓氣機的最佳轉速差別較大，低壓壓氣機的轉速被風扇限制，不能充分發揮作用，為了解決這個問題，就出現了羅羅公司的三轉子渦輪風扇發動機和普惠公司的齒輪傳動渦輪風扇發動機。三轉子渦輪風扇發動機將高壓壓氣機分為中壓、高壓兩個轉子，分別由中壓、高壓兩個渦輪轉子帶動，通過增加一個軸，形成高壓、中壓和低壓三個渦輪帶動的三套系統。齒輪傳動渦輪風扇發動機，通過在風扇和低壓壓氣機之間增加一個齒輪高速減速器，使風扇和低壓壓氣機可以工作在各自最佳的轉速下，解決了二者轉速匹配的問題。

渦輪風扇發動機在軍用和民用領域的發展目標有所差異，軍用領域側重于高推重比，民用領域側重于環境友好。軍用領域第一代渦輪風扇發動機是 20 世紀 60 年代末 70 年代初發展起來的，代表型號有美國的TF30、英國的斯貝 MK202、瑞典的 RM8 等，這一代發動機性能水平較低，推重比只有5-6，研制周期一般為 5-7 年。第二代渦輪風扇發動機，發展于 20 世紀 70 年代中后期及 80 年代，用于裝備第三代戰斗機，代表型號有美國的 F100、F110 和 F404、英德意聯合研制的 RB199、法國的 M53-P2、俄羅斯的RD-33 和AL-31F等，這一代發動機性能水平較高，推重比達到 7.5-8.0（（M53-P2 為 6.6），不加力耗油率降至0.6-0.8kg/(daN*h)，可靠性、維修性和耐久性高，作戰適用性強，從驗證機到原型機研制結束，通常要用10 年左右時間。第三代渦輪風扇發動機是 20 世紀 90 年代發展起來的，用于裝備第四代戰斗機，代表型號有美國的F119、法國的 M88-2、英德意西聯合研制的 EJ200 等，這一代發動機推重比超過 10，能夠為飛機提供超音速巡航能力，是目前最為先進的航空發動機，由于綜合了各種先進技術，突破多項技術難點，這一代發動機從驗證機到原型機研制結束要用 15 年以上，研制費用高達十幾億美元。民用領域大涵道比渦扇發動機發展至今主要經歷了 4 個階段，即第一階段（總壓比為 22~30，涵道比為 4.2~5.0）、第二階段（總壓比為28~34，涵道比為5~6）、第三階段（總壓比為 30~40，涵道比為 6~8）及世紀交替的第四階段（總壓比40~50，涵道比8~11）。

3. 渦輪螺旋槳發動機

渦輪螺旋槳發動機是在燃氣發生器或核心機后加裝動力渦輪，燃氣在動力渦輪中膨脹做功，驅動動力渦輪高速旋轉，動力渦輪的前軸穿過核心機轉子，通過壓氣機前的減速器驅動螺旋槳，產生向前的推力。渦輪螺旋槳發動機中燃氣的大部分能量由動力渦輪吸收并從動力軸上輸出，渦輪出口的燃氣所產生的推力較小，僅占渦輪螺旋槳發動機輸出功率的 10%左右。渦輪螺旋槳發動機的基本構造除了具有與渦輪噴氣發動機相似的燃氣發生器、動力渦輪、尾噴管、發動機附屬系統及附件傳動裝置外，還需要有減速器部件和螺旋槳。

渦輪螺旋槳發動機分為定軸式和自由渦輪式兩種。動力渦輪與燃氣發生器的渦輪連接在一起的就是定軸式，動力渦輪與燃氣發生器的渦輪分開的，各自以不同轉速工作的就是自由渦輪式，目前大多數的渦輪螺旋槳發動機都是自由渦輪式。

為了克服渦輪噴氣發動機的耗油率高經濟性差以及活塞式發動機功率小等缺點，渦輪螺旋槳發動機在20 世紀 40 年代后期、50 年代初期得到迅速發展，曾廣泛用于旅客機和軍用運輸機，但由于螺旋槳不適用于高亞音速飛行，隨著渦輪風扇發動機的出現，干線客機和大型軍用運輸機均采用了渦輪風扇發動機，20世紀 70 年代后各國已不再研制大功率渦輪螺旋槳發動機。由于渦輪螺旋槳發動機在亞音速、短航線內的經濟性好，目前在一些小型支線客機、小型運輸機和通用飛機中仍被采用。

4. 渦輪軸發動機

渦輪軸發動機和渦輪螺旋槳發動機結構類似，都是在燃氣發生器或核心機后加裝動力渦輪，通過動力渦輪輸出功率，帶動旋翼產生升力及推力。渦輪軸發動機多用于直升機，20 世紀50 年代中期之前，直升機發動機都是活塞式發動機，50 年代中期渦輪軸發動機開始用作直升機動力。由于渦輪軸發動機相比活塞式發動機具備功率大、振動小、體積小以及重量輕等一系列優點，60 年代以后新研制的直升機基本都采用了渦輪軸發動機作為動力。

渦輪軸發動機按照有無自由渦輪分為定軸式渦輪軸發動機和自由渦輪式渦輪軸發動機，雖然定軸式渦輪軸發動機結構簡單，但是起動性能、加速性能和經濟性不如自由渦輪式渦輪軸發動機，目前大部分渦輪軸發動機都是自由渦輪式結構。動力渦輪輸出功率的型式有三種，分別為后輸出型式、并列旁置前輸出型式和同心軸前輸出型式，后輸出型式使發動機長度加長，并列旁置前輸出型式使發動機尺寸變大，都給軸系支撐、潤滑和傳動帶來困難，同心軸前輸出型式結構緊湊，轉子剛性好，可以簡化承力結構、滑油系統和軸系的布置，但是設計和制造難度大，隨著材料、加工制造和轉子動力學技術的發展，同心軸前輸出型式已經逐漸取代其他兩種型式，成為主流構型。

5. 無人機用航空發動機

無人機動力裝置主要為無人機提供滿足飛行速度和高度要求的推力，并為無人機航電系統和任務載荷系統提供電力及功率支持，作為無人機的“心臟”，其性能在很大程度上決定了無人機的作戰性能。為了滿足無人機在飛行高度、航時、工作任務等方面的不同需求，無人機動力裝置的功率和推力變化范圍很大，但基本上是屬于中小型發動機的范疇，按類型分為電動動力系統、活塞動力系統和空氣噴氣動力系統。

活塞發動機是無人機最早、最廣泛使用的動力裝置，技術較為成熟，具有良好的經濟性和可靠性，一直在中低速無人機和長航時無人機領域占據主導地位，相較汽油活塞發動機，重油活塞發動機具備更優異的燃油性能和高空性能。相比活塞發動機，渦軸/渦槳發動機具有功重比大、結構緊湊、振動小、高原性能好、燃料適用性好、便于維修等優點，因而渦軸發動機代替了活塞發動機成為直升機的主要動力裝置，尤其 0.7t 級以上的直升機平臺多采用渦軸發動機，在中空長航時領域，渦槳發動機也在中大型固定翼無人機中具有廣泛應用。在萬米以上高空條件下，活塞發動機因空氣稀薄性能急劇衰減，螺旋槳的推進效率也同樣會大幅降低，能夠解決活塞發動機升限和高原起降問題的多級增壓技術尚待攻克，因而必須使用高增壓比高性能的燃氣渦輪發動機，其中渦噴發動機具有結構緊湊、質量輕、尺寸小、推重比大、響應快和相比渦扇發動機成本低等顯著優點，能使飛行器實現高速飛行，高空、高速無人機動力裝置一般會首選渦噴發動機，另外在高速靶機、靶彈等特殊的應用領域小推力渦噴發動機仍然具有獨特的地位，而渦扇發動機具有耗油率低、壽命長、易于實現系列化等優點，其質量和推力等級能與無人機實現較好匹配，對于高空長航時無人機，渦扇發動機仍是最佳動力選擇，其升限一般在 10000~20000 m，最大飛行馬赫數（Ma）可以達到 0.85，世界最高水平的無人機多數配備的是渦扇發動機。沖壓發動機在飛行馬赫數大于3 的條件下使用相比燃氣渦輪發動機有較高的經濟性，適合高空高速飛行，但缺點是不能自行起動，需借助其他發動機助推飛行至 0.5Ma 以上才能有效工作。電動無人機目前常用的是鋰電池供電，多用于小型固定翼和多旋翼無人機，但鋰電池存在續航時間短、低溫下性能差的問題，因而衍生出氫燃料電池和太陽能電池動力能源，多用于中型固定翼和體型較大的多旋翼。

由于無人機動力需求與有人駕駛飛機有一定區別，而國內大部分資源都投入到主力戰機的配套發動機研發中，導致目前國內無人機動力的發展滯后于無人機系統的發展。活塞發動機方面，國外主要有奧地利羅塔克斯（Rotax）公司、美國萊康明（Lycoming）公司、美國大陸（Continental）公司、德國Limbach公司、英國 RCV 公司以及美國猛禽渦輪增壓柴油機公司等，國內主要有宗申動力（001696.SZ）、安徽航瑞、航天科工三院 31 所等。渦輪燃氣發動機方面，中國航發的 AEF50E/AEF100 渦扇發動機、AEP50E/AEP60E渦槳發動機以及 AEF20E 渦噴發動機，航天科工某院所的 CTF-3 渦扇發動機，中發天信的XX850渦噴發動機等可用于無人機的發動機。