噴氣發動機

發明人：1937年，恩斯特·海因克爾（Ernst Heinkel）教授、漢斯·馮·奧安（Hans von Ohain）博士，以及弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）爵士相繼發明了噴氣式發動機。

主要制造商：通用航空公司、普惠發動機公司、勞斯萊斯航空發動機公司、賽峰集團。

美國航空業年銷售額：680億美元。

噴氣發動機是當今噴氣飛機的動力裝置，不僅產生驅動飛機的動力，而且還為飛機的其他系統提供能量。商用噴氣發動機直徑可達3.3米，長度可達3.7米，重量可達4540千克，推力可達45400千克。

首個專利

1930年，英國皇家空軍中尉弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）獲得了第一項噴氣式發動機專利。雖然惠特爾的引擎測試始于1937年，但直到1941年才成功運行。二戰前，德國也開始了類似但全然不同的工作，德國工程師漢斯·馮·奧安你見過綁著噴氣發動機的米老鼠在天空上翱翔嗎？見過裝上噴氣發動機飛行的土狼覓食嗎？這一切已不再是卡通里的畫面。人類也嘗試把自己綁在噴氣發動機上飛翔，他們幻想著在單座賽車、小型汽車、飛行平臺以及摩托車上裝上噴氣發動機。

（Hans von Ohain）于1935年獲得了一項噴氣發動機專利。馮·奧安與當地一位名叫馬克斯·哈恩（Max Hahn）的天才汽車技師合作，制作了一個發動機的工作模型。后來他得到了飛機制造商恩斯特·海因克爾的支持，恩斯特·海因克爾雇用了馮·奧安和哈恩來開發引擎。四年后，也就是1939年8月27日，飛行員埃里希·瓦西茨（Erich Warsitz）駕駛著裝著奧安噴氣發動機的He-178飛機從羅斯托克-馬里奈赫（Rostock-Marienehe）機場起飛。這是人類歷史上第一架噴氣式飛機。

當惠特爾發動機在1941年取得成功后，英國立即向其盟友美國運送了一架原型機。在美國，通用電氣（GE）公司立即開始生產復制品。1942年末，通用電氣公司生產的美國第一臺噴氣發動機安裝在貝爾公司設計的飛機上并成功實現飛機起飛。然而，噴氣式飛機的真正飛行是在第二次世界大戰后。

噴氣發動機的工作原理

牛頓第三運動定律是由英國數學家和科學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）爵士（1642—1727）提出的，即相互作用力大小相等，方向相反。噴氣發動機就是根據這個原理工作的。首先，進氣風扇吸入空氣，并將一部分空氣送至壓縮機進行壓縮，而其余的空氣則冷卻發動機。然后壓縮空氣流入燃燒室，與燃料混合，點燃，燃燒。一部分燃燒產生的氣體驅動渦輪機（一組風扇用于壓縮機軸），另一部分以相當高的速度從排氣系統噴出推動飛機向前（見圖1）。這個過程中發動機向后噴氣，并產生大小相等、方向相反的反作用力向前推動飛機。而且飛機前進的速度等于排出氣體的速度。

沖壓式噴氣發動機與另一種發動機（通常是渦輪式噴氣發動機）一起使用。只有當飛機的速度穩定地超過音速而且在海平面以上以高于音速并超過每小時1223千米的速度飛行時，它才會啟動。正因為如此，沖壓式噴氣發動機通常被用來推進導彈。著名的SR-71黑鳥偵察機使用了所謂的渦輪沖壓組合式噴氣發動機，當飛行器速度達到兩馬赫時，組合式發動機會將工作狀態從原先的渦輪式轉換為沖壓式。

渦輪式噴氣發動機是第一種為飛機提供動力的噴氣發動機。大多數其他噴氣發動機都是基于它的理念設計的。基本上，空氣被吸入，壓縮，然后被加熱，在燃燒室中被點燃。膨脹的氣體驅動渦輪，然后再將氣體噴出排氣系統，推動飛機前進。

渦扇發動機是商用飛機上最常用的發動機。它的工作原理類似于渦輪噴氣發動機，但是除了渦輪發動機的風扇本身，它的前面還有一個大風扇用于吸入更多的空氣，這減少了發動機的噪音，并在使用相同的燃料量時提供了額外的更大的推力。

渦輪螺旋槳發動機使用渦輪噴氣發動機來驅動螺旋槳，為螺旋槳提供的動力占發動機的輸出動力的絕大部分。這種發動機在低速狀態下運轉最好，主要用于小型商用飛機。

排氣系統

排氣系統由外風道和狹窄的內風道組成。外風道輸送經過燃燒室外部的冷卻空氣，較窄的內風道給燃燒室輸送燃燒氣體。在這兩個風道之間是一個推力反向器，關閉外風道這個機制可以防止未經加熱的空氣通過排氣系統離開發動機。當飛行員想讓飛機減速時，他們就會使用反向推力裝置。

設計

噴氣發動機安裝在飛機的機翼上并裝在引擎罩中，引擎罩是一個可以向外打開的外殼——這樣便于檢查和維修發動機。每臺發動機（一架波音747飛機有4臺發動機）上都有一個掛架，這是一個金屬臂，用以將發動機和飛機的機翼連接起來（見圖2）。電線和管道也裝在掛架中，將發動機產生的電力和液壓動力輸送回飛機。

大多數商用飛機裝配的是渦扇發動機，它因具有高涵道流量比（即繞過壓縮機的空氣流量與通過壓縮機的空氣流量之差）的特性而運行效率最高。高涵道比需要更大的風扇用于輸入空氣，但更大的風扇意味著更大的重量和更低的效率。由此設計師們開始使用復合材料來減輕噴氣發動機的重量。

噴氣發動機材料

發動機部件必須非常堅固，重量輕、耐腐蝕、熱穩定性好（能夠承受高溫或低溫）。因此，一些特定的材料已經被開發出來，用于滿足上述這些特性。鈦往往被用于制造最關鍵的發動機部件。雖然它很難被塑形，但是它極高的硬度和熔點使它在高溫下也很堅固。為了改善它的可塑性，鈦經常和其他輕金屬混合在一起使用，比如鎳和鋁。

發動機前部進氣風扇采用鈦合金材料，中間壓縮機采用鋁合金材料。燃燒室和靠近燃燒室的高溫高壓段的部分由鎳鈦合金構成，而渦輪葉片必須承受發動機最大的高溫，由鎳鈦鋁合金構成。排氣系統的內部管道是由鈦制成的，而外部排氣管道是由凱夫拉纖維制成的，凱夫拉纖維是一種強度高、重量輕的合成材料。推力反向器由鈦合金組成。

自20世紀90年代中期以來，制造商一直在增加噴氣發動機中復合材料的使用比例，即擁有兩種或兩種以上具有不同化學性能的材料合成的材料。引擎罩、外殼、風管、柔性連接臂、風扇罩，甚至一些發動機的風扇葉片都使用復合材料。復合材料占一些發動機重量的10%～35%。

制造過程

設計和測試每一種型號的噴氣發動機可能需要長達五年的時間。構建所有組件大約需要兩年時間。供應商制造零部件的各個部分，并交付給噴氣發動機制造商；然后組裝在一起形成整個引擎。光是組裝就需要一到三個星期。

風扇葉片

1．每個風扇葉片位于發動機前部，由熔融鈦熱壓成型制作兩瓣葉片外皮（見圖3）。取出后，將這兩瓣葉片外皮焊接在一起，在中心留下一個空心腔。為了增加最終產品的強度，在腔內填充了蜂窩鈦。

壓縮機盤

2．壓縮機盤是壓縮機葉片附著的固體核心，類似于一個大的、有缺口的輪子。制造圓盤的過程利用了粉末冶金學，即將熔化的金屬倒入快速旋轉的轉盤上將其打碎成數百萬微小的液滴。離開轉盤時，液滴由于溫度迅速下降（從大約1200℃，在0.5秒時間內迅速下降）而固化，并形成一個高純度、極細的金屬粉末。

3．接下來，將粉末真空包裝在一個容器里并在高壓下密封和加熱。通過加熱和加壓將金屬微粒熔合成一個圓盤。然后在一臺大型切割機上對圓盤進行加工成形，并用螺栓將風扇葉片固定在其上。

壓縮機葉片

4．壓縮機葉片是用鑄件鑄造而成的。在這個過程中，用來制造葉片的合金被倒入陶瓷模具中，在熔爐中加熱，然后冷卻。接著打破模具，取出葉片進行機加工——切割或成型，變成最終的葉片（見圖4）。

燃燒室

5．燃燒室必須在小空間內混合空氣和燃料，并在極端高溫下長時間工作。為此，燃燒室由鈦合金制成。該合金首先加熱，然后倒入幾個復雜的分段模具。這些部件從模具中取出，冷卻后焊接在一起，然后安裝到發動機上。

渦輪圓盤和葉片

6．渦輪圓盤是由制造壓縮機圓盤所用的粉末冶金工藝形成的。（見圖5）

7．渦輪葉片緊貼在燃燒室的后方并在其產生的高溫環境下工作，因此渦輪葉片采用的生產方法與最終的結構與壓縮機葉片有所不同：耐高溫陶瓷外殼內鑄有高溫鎳鋁合金。葉片的結構中還包含復雜的冷卻管道；否則，高溫依然可能將它們熔化。

8．首先，將蠟倒入金屬模具中形成葉片的復刻品（見圖5）。一旦蠟的形狀定型，就從模具中取出并覆蓋陶瓷涂層。然后加熱每一簇葉片，使陶瓷變硬并熔化蠟。

9．熔化的金屬被倒進熔化的蠟留下的空心區域。每個葉片內部的風冷管道也是在這個生產階段形成的。在模具的底部，螺旋結構連接到一個水冷的盤子上。填充的模具慢慢地從熔爐中抽出，進入冷卻室。金屬開始在較冷的盤子上凝固，晶體開始沿直線長成螺旋結構，此時模具正在取出。晶體的螺旋結構只允許增長最快的晶體在模具的主要部分生長。隨著模具被慢慢地抽出，晶體繼續生長到空間的其余部分。這種單晶工藝確保了金屬結構中沒有晶界，而晶界是潛在的機械損傷區域。

10．制造渦輪葉片的下一個和最后一個階段是機器整形和激光鉆孔或火花刻蝕。首先，通過銼削將葉片加工成所需的最終形狀；其次，為了滿足內部冷卻通道的需要，在每個葉片上打上平行的小孔，這些孔要么是由一束小激光束刻蝕形成的，要么是小心控制火花在葉片上燒出洞來，也就是所謂的火花刻蝕。

排氣系統

11．內部管道和加力燃燒器（附在發動機上的排氣管上）由鈦鑄成，外部管道和發動機艙（發動機外殼）由凱夫拉纖維制成。這三個部件焊接成一個子部件后，整個發動機就可以組裝起來了。

總裝

12．發動機基本是由人工安裝各種組件和配件的。組裝首先是用螺栓將高壓渦輪固定在低壓渦輪上。接下來，將燃燒室固定在渦輪機上。制造平衡渦輪總成的工藝是利用CNC（計算機數控）工業機器人來完成的，該機器人能夠選擇、分析渦輪葉片并將其連接到輪轂上。

13．將渦輪機和燃燒室組裝好，高壓和低壓壓縮機也連接起來。風扇和由最前端的組件組成的機架再連接起來。主傳動軸連接低壓渦輪與低壓壓縮機，然后安裝風扇，至此完成發動機核心組裝。

14．在連接排氣系統（最后的組件）后，發動機被運送到飛機制造廠。在那里，管道、電線、配件和飛機的氣動外殼將被組裝在一起。

質量控制

當新設計的發動機開始生產后，第一臺被制造的新型號被指定作為質量檢測對象（性能測試機）。在此過程中，工作人員對發動機進行各項測試以模擬其在各種環境下的工作狀態，以及對不利因素的反應。這些影響包括極端天氣、空中的異物（如鳥類）或碎片的撞擊、長時間飛行和反復啟動。

在制造發動機的整個過程中，要對零部件和裝配件的尺寸精度、工藝可靠性和零部件質量進行檢驗。尺寸檢查有許多不同的方法。一種方法是使用坐標測量機（CMM），它將檢查零件的關鍵特征，并將其與設計尺寸進行比較。另一種方法是在零件的整個表面涂上熒光液體。當液體滲入任何裂縫或痕跡后，多余的部分就被去除。使用紫外線將會顯示任何可能導致發動機過早故障的表面缺陷。

所有旋轉組件必須精確平衡，以確保安全延長運行周期。在總裝之前，要確保所有旋轉部件都是動態平衡的。這個平衡過程很像汽車輪胎的旋轉平衡。旋轉部件和已安裝的發動機核心部分是由計算機對其進行“旋轉動量”調整，以確保他們正確旋轉。

成品發動機的功能測試分為三個階段：靜態測試、靜態運行測試和飛行測試。靜態測試檢查系統，如電氣和冷卻，發動機不運行。發動機安裝在機架上運行時，都經過了靜態運行試驗。飛行測試需要在各種不同的條件和環境中對所有系統進行全面的檢查，無論之前是否測試過。每臺發動機在其使用壽命中都將持續受到監控。

未來的噴氣發動機

隨著對更大、更高效飛機的需求增加，要求改進噴氣發動機的愿望與日俱增。如今，噴氣發動機設計師花了很多時間來研究如何使發動機性能更好、飛行距離更遠、油耗更低、噪音更小。

在商用飛機上使用的大型渦扇發動機設計中，有一個巨大的多葉片前風扇，大大提高了發動機的進氣量，而其中一小部分空氣流入內部管道，與噴氣燃料混合燃燒。材料和設計的改進將使這些發動機能夠運行更長時間、消耗更少的燃料。采用碳纖維復合風機葉片是減輕風機重量的主要因素。

通用航空公司正在大力投資疊加制造技術，采用直接金屬激光熔煉（DMLM）技術。該技術是使用一種高功率激光將鈷鉻金屬粉末逐層熔煉在一起（三維打印的一種形式）。這使得生產復雜結構部件比直接使用機械制造要省不少材料。美國聯邦航空局（FAA）批準的第一個使用這種疊加材料技術制造的部件是LEAP發動機內部傳感器的外殼，由CFM（國際發動機公司，通用航空公司和賽峰飛機發動機公司合資的企業）制造。通用航空公司也在為其發動機研發三維打印燃料噴嘴和其他部件。

陶瓷基復合材料（CMCs）是一種相對較新的材料技術，它可以生產與金屬一樣堅固的部件，但重量更輕，耐熱性更強。LEAP發動機的渦輪罩由陶瓷基體中的碳化硅陶瓷纖維制成，并覆蓋一層絕熱層。通用航空公司也在測試渦輪葉片和其他由陶瓷基復合材料制造的元件。

普惠公司生產了一種齒輪傳動渦扇發動機，該發動機使用速比3：1的變速箱，這使得發動機的每個旋轉部分都以最佳速度旋轉。低壓壓縮機葉片的轉速是風扇的三倍。這種設計提高了發動機的工作效率。

隨著這些創新和越來越多的改進，可以想見未來噴氣發動機會更輕、更省油、更安靜、更容易維護。