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当你乘坐飞机旅行的时候，不知道你是否注意过机翼下面吊挂着的这些吵闹的“大喇叭”？你是否想过，如果没有它们，今天我们跨海越洋远航世界的梦想就无从谈起？
当你看到性能先进的战斗机从空中掠过，做出让人惊叹的动作的时候，你是否想过，是谁赋予了它们如此出色的性能？
当你了解到，因为长期搞不出像样的航空涡轮发动机，我国的国防建设乃至整个工业体系都被严重的拖累和受制于人之后，你是否想过发动机为什么这么难搞？为什么我们可以让卫星上了天，却搞不出像样的涡轮发动机？
所以，应好友的要求，写下这篇文章，算是一个小小的科普。希望这篇文章可以回答这些问题。
航空涡轮发动机：它从哪儿来？
上个世纪20---30年代，是航空的“黄金岁月”，在这个时期，以活塞式内燃机为发动机，螺旋桨为推进器的飞机在天空中自由飞翔，那个时候有无数的飞行竞赛，如何让飞机飞得更快，成了那个时候飞机设计师最关心的问题。然而，内燃机终究能耐有限，为了满足更高的速度，人们迫切的需要新的发动机来改善飞机的飞行速度。
1928年，英国克伦威尔皇家学院的工程师弗兰克·惠特尔爵士设计出了一种利用叶轮压缩空气，经燃烧室燃烧后将高温高压燃气从尾喷管高速喷出以达到推动飞机飞行的发动机，并于1932年获得了专利。然而，等真正要付诸实践的时候却遇到了麻烦：实验中因为疏漏导致供油管破裂，实验失败。英国政府顿时对此失去了任何兴趣。从此将其打入冷宫，可怜的惠特尔被当成了“民科”。
和惠特尔一起研究喷气技术的，还有德国工程师冯·奥里安。和倒霉的惠特尔不同，奥里安找到了一个合作伙伴：亨克尔飞机制造厂。从而使他的研究得到了资金和技术的支持。最后，该厂成功生产出了一台推力为5kN的涡轮喷气发动机，1939年8月27日，安装了奥里安研制的发动机的He-178飞机成功进行了首飞，从此标志着人类航空史进入喷气时代。
德意志工业博物馆展出的He3S涡喷发动机，这是世界上第一台航空涡轮发动机
直到二战时期，英国人才如梦初醒，匆匆忙忙的开展了喷气发动机的研制工作，终于，在二战的末期，出现了英国和德国制造的喷气式飞机在天空厮杀的情景。而大洋彼岸的美国似乎比英国还要反应迟钝，虽然他们在技术上早已大大超前，美国科研人员甚至比德国同行更早掌握了大推力喷气发动机的制造方法，但是由于美国高度官僚化的军工体系，这种新技术被搁置了。直到战争结束，美国也没有一架喷气式飞机投入使用过。
生于战火的航空涡轮发动机就这样诞生了。当然，是它们，因为当时出现的航空涡轮发动机，是一对亲兄弟，分别叫做离心式涡喷发动机和轴流式涡喷发动机。
离心式涡喷发动机来源于惠特尔的技术，它的前面安装了一个很大的离心式叶轮，用于把空气增压。而轴流式涡喷发动机是德国人研制的，前面安装了一组轴流式风机作为压气机给空气增压。
最开始，这兄弟俩各有千秋，英国，苏联等国比较喜欢离心式涡喷发动机，因为它具有结构简单，易于设计，易于维修的优点。美国，德国等国则更青睐轴流式发动机，它的性能更为优越。但是，轴流式发动机零件数量多，结构复杂，而且需要完成大量复杂的机械加工工作。
离心式和轴流式的争执长期持续着，朝鲜战争中，它们甚至得到了一个实战检验的机会：安装离心式发动机的苏制米格-15战斗机和安装轴流式发动机的美制F-86战斗机在这个东亚的狭长半岛上厮杀，成为人类历史上第一次喷气式飞机的较量。
上图为离心式涡喷发动机，下图为轴流式涡喷发动机
然而，设计师们很快发现，离心式发动机的设计遇到了一个死循环：为了增大发动机的推力，必须提高压气机的增压能力，而要设计更大增压的叶轮，办法只能是增大叶轮的直径，但是如果这样的话，发动机的重量和转动惯量都将增加，从而让增大推力的努力白费，为了更大的推力只好去设计更大的叶轮，然后又一轮周而复始。这整个一个“面多了加水，水多了加面”嘛！
反观轴流式发动机则根本没有这个问题，要想增加压缩机的增压能力，只需要在轴向多加上几级定子/转子叶片就可以了，不会增加径向尺寸，对转动惯量和重量的增加也很少，所以性能就可以成倍的提高。
于是很快，离心式发动机就被作为一种落后的技术而弃之不用。今天，我们见到的航空涡轮发动机，几乎100%都是轴流式的。
航空涡轮发动机：它的结构是什么？
一台典型的涡轮喷气发动机结构
上图所示，是一台涡轮喷气发动机的剖视图，我们可以很清晰的看到它的结构。
涡轮机的核心，是中间的转动轴。最头部是一个激波头锥，它是可以调整的，一般头锥的后部安装有传动机构，可以将轴上的转矩输出，再通过一台减速机减速然后用作其它用途。
接下来，是压气机区，这是一台轴流发动机，所以压气机也是轴流式的，它分为定子和转子两个部分，这两个部分是由互相交错排列着的叶片排构成，一排转子叶片+一排定子叶片就叫做“一级”。我们要想知道这是多少级的压气机，只需要数一数有几对定子/转子叶片排就可以了。有些高性能的涡喷发动机在它们的压气机区第5级或第6级位置还可以看到一环放气环。
接下来是燃烧室，这里是高压气体和燃料混合后燃烧膨胀做功的地方。燃烧室也分为很多种类，早期的发动机多采用火焰筒式，看起来就像一排可乐罐。而现代的一般都是环状燃烧室了。
燃烧室的后面，就是涡轮了，它是整个发动机的核心部件。由涡轮盘和叶片组成，涡轮盘是一个精密锻件，边上铣出了很多安装槽，叶片是通过榫头连接到涡轮盘上的。今天，在很多航空强国制造的发动机里，叶片和涡轮已经是整体锻造的了，这样可以节约很多榫头和连接件的重量，但是工艺也进一步复杂了。
最后，是尾喷管，燃烧室产生的高温高压燃气在这里被释放，膨胀后高速喷出，观察尾喷管的横截面可以区分它是亚音速的还是超音速的：如果是收敛的，那么就是亚音速。如果是采用了类似沙漏形的收敛-扩张喷管（学名是拉伐尔喷管），那就是超音速。
此外，涡喷发动机还有很多附件：电气系统，润滑系统，控制系统，冷却系统，燃料供给系统等。它的结构之复杂让很多人难以想象。
航空涡轮发动机：它如何工作？
下面温习一下中学物理曾经学过质心不变定理：一个动力系统的质心是保持不变的，当飞机高速喷射出气体时，飞机+气体这一系统中，有一部分质量被以极高的速度喷射到了后面，由于质心的位置不变，飞机也就开始高速前进了。这就是喷气发动机工作的基本原理。
学过工程热力学的人应该知道，涡喷发动机是一种燃气轮机。它的理想热力学循环由四个步骤组成：定熵压缩，定压加热，定熵膨胀，定压放热，这是布莱顿循环的特征。但是，和燃气轮机不同的是，涡喷发动机的涡轮出口乏气并没有被用于直接作为废气排出，而是被高速喷射出去，利用喷射出去的气体的反作用力产生推力。以下我们以理想航空发动机的热力循环为例（布莱顿循环）进行说明：
在航空发动机的工作过程中，第一步就是增压，也就是热力学循环的第一步：定熵压缩过程。飞机飞行时，迎面吹来的气流速度很快，具有很高的动能，为了增压，就需要对其进行降速增压（伯努里定律）。
其实，喷气式飞机的进气道就可以让空气流速降低，从而使之速度增加。但是这个增压对于航空发动机来说远远不够，所以就需要压气机来进行。
轴流压气机的结构，注意观察其中的定子叶片和转子叶片
前面说过，压气机分为离心式和轴流式两种，离心式压气机的原理类似家里的洗衣机甩干筒，气流流入后会沿着流道被高速旋转的叶轮甩到边缘去，从而使之被增压。而轴流式压气机是靠轴向安装的一对对定子/转子叶片的高速旋转，使被吸入的空气获得更高的动能，并且最终让其获得更高的压能。
转子的叶片高速旋转，就像电风扇一样使劲地给迎面吹进的气流加速，从而让本来就速度很快的空气达到了更高的速度，然后这些高速气体很快流入定子叶片组成的一个个扩压流道，顿时让气体的流速急剧降低，这部分能量就转变成了压能，从而使得空气的压力升高了。
单级定子/转子叶片的增压效果有限，为了达到更大的增压比，就必须得设计出多级增压，现代航空发动机一般都是7---9级增压的。
但是，把这么多叶片都装在同一根轴上，又会带来严重的喘振问题。从它的结构我们可以看出，压气机里的空气流动只能是单向的，可是飞机飞行的时候，姿态千变万化，完全有可能导致后面的高压空气倒着流出来。这就会造成叶片的严重震颤，这种现象就叫喘振。喘振是一种比较严重的事故，轻则产生噪声和振动，重则破坏发动机结构导致空中停车。防止喘振的方法有很多，办法之一是在轴流压气机上安装一个放气环，从而可以将倒灌的高压气体释放。
为了更加彻底地解决喘振，工程师们设计出了双转子发动机，具体就是将发动机主轴设计为嵌套的两根轴。里面一根轴上装低压压气机，外面套着的轴上装高压压气机。相应的，涡轮也设计了两级：外面的是高压涡轮，里面的是低压涡轮。由于低压压气机和高压压气机在两根轴上，转速也不相同，减少了高压气倒灌的可能，所以这种设计不但效率高，可以有效防止喘振。但是这就要求高压和低压两级压气机工作必须匹配。我国的“昆仑”涡轮喷气发动机在试验中，曾经因为高低压压气机工作不匹配的问题造成了3次空中停车的重大事故。
现在，甚至有三转子的发动机出现，在外面又套了一根风扇轴。这种发动机的效率更高且防喘性能更佳。但是结果异常复杂，而且带来了严重的强度问题。所以这种发动机至今仍是英国罗尔斯·罗伊斯公司的专利，他们的Trent系列航空发动机都是三转子的。其他国家如美国，俄罗斯，法国和中国仍在设计和使用双转子。
采用嵌套轴结构的罗尔斯·罗伊斯设计的Trent
1000发动机（波音787客机的动力装置），我们可以看到它包含了一个前级风扇，一级低压压气机，8级中压压气机，6级高压压气机，对应的涡轮包括单级高压涡轮，单级中压涡轮，6级低压涡轮，结构非常复杂
被压气机区压缩后的高压气体进入燃烧室后，就会与这里的煤油混合，猛烈地燃烧起来。这是它的热力学工作循环第二步：定压加热过程。
燃烧室由扩压器，机匣，喷油嘴，旋流器，火焰筒等多个部件组成，通过燃料和空气在其中的混合产生了猛烈的燃烧，产生了大量的高温高压燃气。这里的温度也将是极高的。这个温度叫做“涡轮前温度”。
高压燃气流向涡轮，使涡轮高速旋转，从而带动整个轴的旋转，开始了热力学工作循环第三步：定熵膨胀。涡轮的工作环境非常恶劣：首先是高温，对于一些高性能发动机，涡轮前温度甚至可高达2450K（约合2177℃）！这是一个恐怖的温度，炼钢炉和它相比简直太凉快了，高速旋转带来的巨大离心力（它的转速高达50000---100000r/min），足以让叶片承受几吨甚至几十吨的离心力。而这个叶片的大小也就一个人的手掌那么大。涡轮的高速旋转，带动了前方压气机的旋转，从而让空气可以不断的增压，继而不断的完成一个个的热力学循环。
最后，从涡轮后方释放出的做功后气体（术语叫乏气）就会沿着尾喷管高速喷出，完成热力学循环的第四步：定压放热，从而提供了使飞机向前的动能。当然，以上的描述只是一个理想状态，实际涡轮喷气发动机在工作中的循环并非标准的布莱顿循环：气体和燃料混合燃烧后显然不可以被当作理想气体看待，发动机的外壳并非绝热的，压缩机在压缩气体的过程中必然不会是一个等熵过程等。不过，它仍然可以相对准确的描述涡喷发动机的工作过程。
尾喷管里喷出的熊熊烈焰，就是涡轮喷气发动机推动飞机前进的动力
航空涡轮发动机：它是个“变形金刚”
刚才介绍的，是航空涡轮发动机里最典型的一种----涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机是现代军用飞机的核心部件-----等等，你是不是忘了什么？那些“涡轮风扇发动机，涡轮螺旋桨发动机，涡轮轴发动机”又是怎么回事呢？
其实，它们的本质和涡轮喷气发动机是完全一样的。因为，涡轮喷气发动机根据需要会像变形金刚那样的“变身”。
涡喷发动机具有适应高速飞行的优点。人们使用涡喷发动机甚至创造了3马赫以上飞行速度的奇迹。但是它的弊端也很明显：必须有足够高速的迎面来流，才可以保证发动机具有足够高的效率。这就要求飞机的速度必须非常高，如果飞行速度低了，就会出现燃料消耗剧增，飞行性能变差等一系列问题------一言以概括：装了涡喷发动机，跑得快很容易，跑得慢就费劲了！对于民航客机，速度并非关键，最重视的是燃油经济性，要知道那可是燃烧的白花花的银子啊。而对于军用飞机，也不可能总是有那么高的飞行速度，低速性能还是很重要的。
为了解决这个问题，工程师们在压气机的前面安装了一组大风扇，从而将迎面来流分成了两个部分，一部分和涡喷发动机一样，通过压气机，燃烧室，涡轮，尾喷管完成热力学循环，另一部分则从这个涡喷发动机的外面流出。这样原来的涡喷发动机就变成了中间一个小小的燃气发生器，由于不是所有的来流都被用作热力学循环，所以效率大为提高。于是，涡喷发动机就这么变身为当前最主流的航空动力装置----涡轮风扇发动机。
涡轮风扇发动机是目前的主流飞机动力装置
巡航导弹的动力装置也多是涡轮风扇发动机
对于军用飞机，由于强调高速性和高机动性，需要推力较大，所以往往采用低涵道比的发动机，比如图中的幻影2000-5战斗机，采用的M53发动机涵道比非常低，几乎是涡喷发动机的水平
而对于强调经济性的民航客机来说，提高燃油燃烧效率是当务之急，所以民航客机的发动机都是高涵道比的，比如这架荷兰皇家航空的波音747，它的发动机涵道比大得惊人，就像大大的蘑菇一样
涡轮风扇发动机中，吹来的气流分为两个部分，外部流和内部流，专业术语叫外涵道和内涵道，它们的质量之比叫做“涵道比”。是一个很重要的技术指标，一般而言，涵道比越高，效率越高，燃油经济性也越好，但是它的直径也会变大，高速性能就会越差。所以，涵道比也会根据不同的用途进行选择：一般而言，对于速度较低，对燃油经济性要求很高的民航客机采用高涵道比发动机，而对于高速度，高机动性的军用飞机，低涵道比发动机是它们的不二选择。此外，涡轮风扇发动机还可以用作巡航导弹的动力装置。
图-95MS“熊”重型轰炸机使用的库兹涅佐夫NK-12涡轮螺旋桨发动机（苏制），有着极强的功率和噪声
如果风扇的直径继续增大，减少它的叶片数量，让它成为螺旋桨。同时，缩小内部的涡喷发动机的直径，使涵道比急剧升高，并且把风扇外的整流罩去掉，会出现什么呢？它又变身了！变成了涡轮螺旋桨发动机。
变身为涡轮螺旋桨发动机后，涡喷发动机的性质就变了，不再依靠喷出的尾流对飞机做功，而主要是依靠涡轮带动螺旋桨轴的旋转做功。它主要被用作大型运输机，支线民航客机，反潜巡逻机和一些远程轰炸机的动力装置。苏联的NK-12涡轮螺旋桨发动机是世界上最大的涡轮螺旋桨发动机，装在图-95“熊”远程轰炸机上，由于它的旋转速度极高，桨尖速度超过了音速，所以会产生巨大的“音爆”噪声，要是你曾经近距离接触过它，它的对转螺旋桨发出的巨大噪声将会让你终身难忘-----图-95服役初期，很多它的机组成员就是因为没有做好防御措施而被这种吵闹的发动机震成了聋子。
AH-64“阿帕奇”武装直升机的动力就来源于涡轮轴发动机
要是涡轮出口喷出的乏气不是直接从尾喷管喷出，而是再用来带动下一个涡轮进行做功，从而让这个涡轮去带动一根涡轮轴对外输出轴功，那么，它就成了涡轮轴发动机，现代的直升机大部分都是以涡轮轴发动机作为动力装置的。某些型号的主战坦克也采用涡轮轴发动机作为动力装置，事实上，涡轮喷气发动机是燃气轮机的一种，燃气轮机的用途更加广泛：发电厂的发电机，海上的战舰，天空中的飞机，直升机，地上的坦克，机车头……都是可以以燃气轮机作为动力装置使用的！围绕涡轮喷气发动机，可以构建出一个庞大的家族谱系。
M1A1主战坦克的发动机是AGT-1500型号燃气轮机（美制），它就是一种基于航空涡轮发动机研制的燃气轮机。美国强大的航空科技研发水平还惠及了其他的军工部门
加力起飞的F-16E战斗机（美制），它使用的动力装置就是加力式涡扇发动机
继续回到涡喷发动机和涡扇发动机来，现代高性能战斗机往往对于机动性有着极高的要求，这就需要它们必须能够提供足够大的额外推力。该怎么办呢？有些涡喷/涡扇发动机在涡轮的后面还安装有一个额外的燃烧室，这样从涡轮喷出的乏气还可以在这个燃烧室内和燃油混合再进行一次燃烧，从而让尾气获得更大的动能，使发动机的推力增大。这种燃烧室叫做加力燃烧室。而这类涡喷/涡扇发动机也被叫做加力式涡喷/涡扇发动机了。
正因为涡轮喷气发动机这么厉害，所以，很多时候人们把它称作“核心机”，也叫燃气发生器，因为它是航空涡轮发动机的核心。在各工业强国，无不把核心机的技术突破作为重中之重，原因无它：只要核心机的技术掌握了，那么所有的飞机，战舰，甚至坦克和民用发电的动力装置遇到的难题都可以迎刃而解。真是一通百通！
航空涡轮发动机：它为什么是“工业王冠上的明珠”？
要研制航空涡轮发动机，基础科研必须先行
世界上可以造出飞机的国家很多，但是具备独立研制高性能航空涡轮发动机的国家屈指可数，它的核心技术至今仍然被牢牢的掌握在极少数工业超级强国手中。世界上所有的民航客机其发动机基本都被英国的罗尔斯·罗伊斯公司，美国的通用电气公司，法国的国营航空发动机公司等几家工业巨头垄断。从这一点上我们可以看出，航空涡轮发动机绝非一般的东西，事实上，它是人类历史上所建造过的最复杂的机械设备之一，涉及到了工程热力学，传热学，空气动力学，控制理论，固体力学，结构，材料，计算机等多个学科最前沿的领域。
一台航空涡轮发动机所使用的核心技术，可以说是不胜枚举：
压气机和风扇段，需要考虑的问题是要有更高的压缩效率，更大的压缩比和更高的喘振裕度。随着人们对工程热力学和流体力学的不断发展，特别是计算流体力学（CFD）等工具的使用，压气机的设计水平也在被基础科研的带动下逐步提高。不断开发新的数值计算方法和新的设计体系，应该是新型压气机研制的重点攻关方向。这就需要有强大的基础科研能力。
燃烧室的设计，燃烧室是一个长度不超过200mm的小段，但内部极其精妙：既要保证内部的流场合理，使燃料-空气混合物可以充分的燃烧保障足够高的燃烧效率，又需要有很高的耐热能力。这样就对其设计和加工提出了极高的要求：燃烧室内的混合气体性质特殊，目前尚无良好的数值分析工具进行精确的模拟，所以只能依靠实验。而燃烧室要承受高压和2000多摄氏度的高温，又需要有很强的冷却系统，制造它的材料也要有很高的耐高温性能。美国已实施的发动机热端部件技术计划(HOST)和高性能涡轮发动机技术综合计划(IHPTET)中专门针对燃烧室的设计，试验和制造进行了很多专门的研究，积累了丰富的经验。
涡轮叶片的X射线透视图，这是人类制造出来的最复杂的零部件之一
涡轮的设计：这是最复杂的部分，这里的工作环境可以用“三高”来描述：高温，高压，高速。对涡轮的设计和制造也就提出了极其苛刻的要求。为了保证涡轮不被高温所熔化，涡轮叶片必须采用抗高温的材料制造，表面要有耐温涂层，同时内部还要有非常精密的气流冷却系统，一般有气膜冷却，冲击冷却，对流等却等手段。目前，各主要工业国已经开发出了对开叶片、扩散连接的叶片，多孔层板叶等多种形式的叶片。同时，由于巨大的离心力作用，涡轮叶片需要在高温下有很高的机械性能。现在一般采用单晶铸造叶片。今天的涡轮叶片，也成为了另一个可以用“三高”来描述的东西：高性能材料，高性能冷却系统和高水平的机械加工。而带有冷却孔的单晶涡轮叶片需要使用激光熔焊技术，被工业界一致认为是世界上加工难度最大的零部件。
不光是这些，航空发动机的结构精密，拥有几万个零部件，是一个庞大的系统工程。所以需要用系统论的思想进行研究。这么多零件需要同时工作，对可靠性又提出了很高的要求，必须从工业工程的角度进行解决。此外，涉及的大量技术是理论无法解决，所以必须配套有全面的试验设施，相关的材料生产，基础科研，机械加工，软件硬件等。这一切需要的又是大量的资金和投入。而以上的一切，都需要的是高度发达的管理手段。所以研制航空涡轮发动机，是一个集管理，资金和技术都高度密集的工作。
要研究航空涡轮发动机，目前并没有合适的数值模拟方法可以解决所有问题。所以试验是必须的，这样也就注定了它的研发是高投入高回报的
正因为其高技术难度，所以航空涡轮发动机即使对于一个高度发达的工业强国，也必须付出长达几十年的努力才能最终掌握并完善其核心技术。而且，所有的航空涡轮发动机强国都不约而同的采用了相同的研发模式：基础科研先行，核心机技术突破和系列化产品开发。即首先下大力气从零做起加强基础科研的水平，然后再集中力量将核心机的技术突破，研制新一代的核心机，再以该核心机为基础搞出系列化的产品以适应不同的需要。一个典型的例子是美国，美国军/民用的航空涡轮发动机目前已经发展了四代，但是其核心机却已经发展了七代！而基础科研更是远远走在了世界各国的前面，是当之无愧的航空涡轮发动机第一强国。这也是目前探索出来的摘取这颗“工业王冠上的明珠”可以走得通的唯一一条道路。
“工业王冠上的明珠”是人们对航空涡轮发动机的美誉，作为人类智慧的结晶，它只能属于那些最伟大的国家。 http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b710d580102e6il.html
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