第5章航空发动机剖析.ppt

第5章 航空发动机,5.1 推进装置分类和特点 5.2 活塞式发动机 5.3 燃气涡轮发动机 5.4 冲压/脉动发动机 5.5 火箭发动机 5.6 飞机燃油系统,5.1 推进装置分类和特点,按是否需要空气分类,,飞行器推进系统,直接反作用推进系统（喷气式发动机）,间接反作用推进系统,,火箭发动机,冲压式发动机,活塞式航空发动机,,涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机,涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机,,化学能火箭发动机,特种火箭发动机,航空电发动机,组合发动机,按产生推力的原理分类,5.1 推进装置分类和特点,5.1 推进装置分类和特点,各种发动机的适用范围,5.2 活塞式发动机,航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合，在密闭的空器(汽缸)内燃烧、膨胀作功的 机械活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推(拉)力所以，作为飞机的动力装置时，活塞式发动机与螺旋桨是不能分割的1、活塞式发动机的主要组成 主要由汽缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、机匣等组成如图所示,5.2 活塞式发动机,,1、活塞式发动机的主要组成 1）汽缸：汽缸是混合气(汽油和空气)进行燃烧的地方汽缸内容纳活塞作往复运动汽缸头上装有点燃混合气的电火花塞(俗称电嘴)，以及进、排气门。

发动机工作时汽缸温度很高，所以汽缸外壁上有许多散热片，用以扩大散热面积 常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个、24个汽缸不等在汽缸容积相同的情况下，汽缸数目越多发动机功率越大5.2 活塞式发动机,1、活塞式发动机的主要组成 2）活塞：活塞承受燃气压力在汽缸内作往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动 3）连杆：用来连接活塞和曲轴 4）曲轴：是发动机输出功率的部件曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动而产生拉力除此而外；曲轴还要带动一些附件(如各种油泵、发电机等) 5）气门机构：用来控制进气门、排气门定时打开和关闭5.2 活塞式发动机,2、活塞式发动机的工作原理 活塞式航空发动机大多是四冲程汽油内燃机活塞在汽缸内要经过四个行程，依次是进气行程、压缩行程、膨胀行程、排气行程 压缩行程：进、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点运动，混合气体被压缩而压力、温度上升，为燃烧作准备活塞至上死点时压缩行程结束 膨胀行程：进、排气门均关闭，在进气行程活塞接近上止点时，火花塞“跳火”点燃混合气使之迅速燃烧，燃气膨胀将活塞由上止点向下止点推进，同时通过连杆带动曲轴转动活塞到达下止点，膨胀行程结束。

膨胀行程是气体唯一对外作功的行程，所以又叫工作行程5.2 活塞式发动机,3、性能指标,评价活塞式发动机性能好坏的指标包括有效功率、耗油率和加速性 活塞式发动机的有效功率是指发动机可用于驱动螺旋桨的功率比燃气涡轮发动机低得多，不能用于超声速飞机 耗油率是指产生1kW的功率1h所消耗的燃油质量 加速性是指发动机从最小转速加速到最大转速的时间5.2 活塞式发动机,5.3 燃气涡轮发动机,涡轮喷气发动机是目前航空发动机的主要形式这类发动机都具有压气机、燃烧室、燃气涡轮三个核心组成部分，其基本工作原理都相同，但各种发动机的推进原理、性能和应用都不一样这类发动机的优点是重量轻、体积小、功率(或推力)大和进行平稳，且能在静止条件下起动，故被广泛用作飞机、直升机的动力装置5.3.1 涡轮喷气发动机,1 - 吸入, 2 - 低压压缩, 3 - 高压压缩, 4 - 燃烧, 5 - 排气, 6 - 热区域, 7 - 涡轮机, 8 - 燃烧室, 9 - 冷区域, 10 - 进气口,涡轮喷气发动机的主要组成部分 按空气流经发动机组成部分的顺序，涡轮喷气发动机一般由进气道、压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾喷管五部分组成：,5.3.1 涡轮喷气发动机,1 - 吸入, 2 - 低压压缩, 3 - 高压压缩, 4 - 燃烧, 5 - 排气, 6 - 热区域, 7 - 涡轮机, 8 - 燃烧室, 9 - 冷区域, 10 - 进气口,1）进气道 进气道是发动机的进气通道，其功用是整理进入发动机的气流，消除旋涡，并利用飞行时冲人的气流提高压力。

进气道应能保证在各种飞行状态下发动机所需要的空气流量、气流均匀稳定、能量损失小、外部气动阻力小等 2）压气机 压气机(压缩机)是利用高速旋转的叶片对空气作功，以提高空气压力的部件压气机有离心式和轴流式两种形式离心式压气机是早期航空涡轮发动机采用的形式，因其离心式 增压叶轮的直径大、压缩比(出口压力与进口压力之比值)小，仅适于小功率发动机，在现代航空发动机上已不单独采用 （有的现代航空发动机采用离心式加轴流式的混合式压气机)5.3.1 涡轮喷气发动机,5.3.1 涡轮喷气发动机,现代航空涡轮发动机多采用轴流式压气机在轴流式压气机中空气主要沿发动机轴线流动轴流式压气机由转子、静子两部分组成转子又称工作轮，由转子轴和装在轴周围的工作叶片组成，转子由涡轮带动旋转静子又称整流器或导向器，由固定在机匣(发动机壳体)内呈放射状的许多静子叶片组成5.3.1 涡轮喷气发动机,3）燃烧室 燃烧室是煤油和压缩空气充分混合燃烧，释放出热能，在涡轮所要求的各种状态下提供温度一致的均匀燃气流的部件 燃烧室的常见形式有：联管燃烧室、环形燃烧室两种联管燃烧室有数个单独的火焰筒，它们均匀地排列在机匣与隔热筒之间的环形腔内，而火焰筒之间则有联焰管相连通(图 4.10)。

联管燃烧室的每个火焰筒(图4.11)都有喷油嘴、涡流器、火焰稳定器从压气机出来的空气分两路向后流动：小股气流进入火焰筒与喷油嘴喷出的煤油混合燃烧，成为燃气；大股气流则流经火焰筒周围而起冷却作用，当这股气流流至火焰筒后段时，部分空气又由孔洞进入火焰筒内与燃气混合燃烧，使燃烧更加完全5.3.1 涡轮喷气发动机,5.3.1 涡轮喷气发动机,3）燃烧室 环形燃烧室由四层壳体组成，最外层是外壳(机匣)、最内层是内壳(隔热层、内套)，内、外壳之间是由内、外壁构成的杯形火焰筒火焰筒内有喷油嘴、点火器等由压气机出来的空气分成两股，一股进入环形火焰筒与煤油掺台燃烧生成高温燃气，另一股流经火焰筒周周而起冷起作用 燃烧室的温度很高．须用耐高温、耐腐蚀的材料制造，常选用的材料是镍基、钴基合金钢5.3.1 涡轮喷气发动机,4）燃气涡轮 燃气涡轮是将高温、高压燃气的能量转变成为机械能的一种叶片机在涡轮发动机中，燃气涡轮的机械能以轴功率的形式输出，用来驱动压气机、螺旋桨、旋翼和其他附件 航空发动机中的涡轮大多是轴向涡轮，燃气流过这种涡轮时主要沿轴向流动这种涡轮由静子和转子两部分组成5.3.1 涡轮喷气发动机,5）尾喷管 尾喷管是发动机的排气系统．对不同的燃气涡轮发动机，尾喷管的设计都有所不同。

利用燃气流产生反作用力的发动机都有较长的尾喷管，其作用是使燃气能在其中膨胀加速而获得较大的推力5.3.1 涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机是在涡轮螺旋桨的基础上发展起来的将螺旋桨的直径大大缩短，增加桨叶的数目——增加到3至4排，取消减速器；同时把所有缩短了的奖叶片用一个大圆筒包起来，就成为一种新的发动机部件——风扇除了增加风扇而外，涡轮风扇发动机的其余部分与涡轮喷气发动机很相像，有进气道、有低压和高压压气机、燃烧室、涡轮(高压1级，低压3级)和尾喷管等工作原理基本上和涡轮喷气发动机相似，所不同的是涡轮不但要带动压气机工作；还要带动风扇旋转当起动后，进入发动机的气流分为两股一股气流经风扇向后流动，经过外通道向后流去，这股气流经过的通道叫“外涵”，另一股气流通过的通道叫“内涵”，实际上是普通涡轮喷气发动机气流经过的通道，所以这种发动机又称为“内外涵发动机”或“双路式喷气发动机”5.3.2 涡轮风扇发动机,5.3.2 涡轮风扇发动机,涡轮风扇发动机具有以下优点：首先是推力大，这主要是因为发动机流量增大，一般涡轮风扇发动机的涵道比(即外涵空气流量与内涵空气流量之比)大约是0.6～1.5，而有的发动机涵道比已达到5～8；即外涵空气流是内涵空气流的5～8倍，涡轮风扇发动机的总空气流量大大提高。

提高涵道比，能提高涡轮风扇发动机的性能 无论涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机都是向后喷气产生推力的如果采用某种办法把喷气方向变成向前，就成为反推力利用反推力装置可以缩短飞机着陆滑跑距离，在飞行中还可以突然减速以提高机动性5.3.2 涡轮风扇发动机,涡轮螺旋桨发动机 这种发动机的构造基本上和轴流式涡轮喷气发动机一样，也有进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件，其工作原理也和涡轮喷气发动机相似但是涡轮螺旋桨发动机的涡轮不仅要带动压气机和各种附件，还要带动前面的螺旋桨由于螺旋桨的转速比涡轮低得多(每分钟约1000转)，所以发动机上要装一套减速齿轮由于要同时带动压气机和螺旋桨，所以涡轮螺旋桨发动机涡轮的马力要更大一些，级数也较多，一般有2～6级涡轮螺旋桨发动机和涡轮喷气发动机在工作原理上虽然近似，在动力产生方面却有很大不同前者以螺旋桨产生的拉力为主，喷气推力占的比重很小，只占螺旋桨动力的九分之一左右所以涡轮螺旋桨发动机的特点主要应该以螺旋桨的特性来确定5.3.3 涡轮螺旋桨发动机,5.3.3 涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机在构造上与涡轮螺旋奖发动机相似但其涡轮包括两部分，即用以带动压气机和附件的普通涡轮和专为输出功率用的自由涡轮。

如图所示，前面是两级普通涡轮，用以带动压气机以维持发动机的正常工作后面的两级自由涡轮，燃气在其中自由作功，通过传动轴专门用来带动直升机的旋翼旋转5.3.4 涡轮轴发动机,涡轮轴发动机优点是重量小、产生的功率较大、燃油消耗也很低涡轮轴发动机的缺点是制造比较困难且成本较高涡轮的燃气通过尾喷管喷出，可产生一定的推力，由于喷速不大，推力很小，如折合为功率，大约占总功率的1/10左右当喷速小时则产生推力为了有利于直升机的合理安排，涡轮轴发动机的尾喷口不仅可以向后，还可以向上向下或向两侧5.3.4 涡轮轴发动机,冲压喷气发动机是利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机 冲压发动机工作时，高速气流迎面向发动机吹来，在进气道内扩张减速，气压和温度升高后进入燃烧室与燃油混合燃烧，将温度,提高到2000一2200℃甚至更高，高温燃气随后经推进喷管膨胀加速，由喷口高速排出而产生推力5.4 冲压发动机,冲压喷气发动机的工作原理基本上与涡轮喷气发动机相同，同样包括进入发动机的空气受到压缩，空气与燃油混合燃烧，燃气膨胀并喷出三个基本过程 冲压喷气发动机利用进气道的冲压作用实现对空气的增压，没有压气机和涡轮那样的部件，结构简单，重量轻。

5.4 冲压发动机,按应用范围划分，冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速三类 1）亚音速冲压发动机 :亚音速冲压发动机使用扩散形进气道和收敛形喷管，以航空煤抽为燃料飞行时增压比不超过1.89，飞行M数小于0．5时一般不能正常工作亚音速冲压发动机用在亚音速航空器上，如亚音速靶机 2）超音速冲压发动机 :超音速冲压发动机采用超音速进气道(气流出口为亚音速气流)和收敛形或收敛扩散形喷管，用航空煤油或烃类燃料超音速冲压发动机的推进速度为1～6倍音速，用于超音速靶机和地对空导弹(一般与固体火箭发动机相配合) 3）高超音速冲压发动机 :这种冲压发动机使用碳氢燃料或液氢燃料，飞行马赫数达5～16高超音速冲压发动机正处于研制之中5.4 冲压发动机,结构简单，重量轻、成本低，使用维护方便 适用于高速飞行，经济性好，耗油率低 比冲虽不及涡轮和风扇发动机，但比火箭大的多 只使用燃油（煤油）作燃烧剂，比火箭便宜安全，发动机的工作时间比火箭发动机长得多 使用冲压发动机的导弹，重量轻，射程远5.4 冲压发动机,5.5 火箭发动机,目前导弹上使用的发动机主要有：,火箭发动机 液体火箭发动机 固体火箭发动机 固－液组合火箭发动机 空气喷气发动机 涡轮喷气发动机 涡轮喷气发动机 涡轮风扇喷气发动。