发动机原理绪论.ppt

发动机原理,航空科学与工程学院 2014年9月,教师： 周尧明 Email: 课件下载：教务处（左侧）课程中心,2019年6月16日,2,助教： 李少伟 联系电话Email: 545071677 课件下载：教务处（左侧）课程中心,2019年6月16日,3,教材及考核方式,教材：航空燃气涡轮发动机（航空工业出版社，尚义主编，1995版） 参考教材 航空发动机原理（北京航空航天大学出版社，王云主编） 航空发动机原理（西北工业大学出版社，廉筱纯主编） 考核方式 平时成绩30%+学期末笔试70%,2019年6月16日,4,主要学习内容,绪论（2h） 第一章 航空燃气涡轮发动机工作原理 （2h） 第二章 发动机部件工作原理（8h） 第三章 涡轮喷气发动机（6h） 第四章 涡轮风扇发动机（2h） 第五章 涡桨、涡轴发动机（2h） 总结（2h）,2019年6月16日,5,思考,为什么要学发动机原理课程 航空、航天发动机？ 航空发动机的技术瓶颈？ 我国的航空发动机发展现状,2019年6月16日,6,为什么学,发动机选型及安装 推力、重量或推重比、耗油率 发动机安装外廓尺寸 飞机性能计算 发动机高度特性、速度特性 发动机/飞机一体化设计 发动机过程参数 按完成飞行任务的优劣作为设计目标,2019年6月16日,7,一体化设计实例,美国先进技术战斗机ATF招标书 任务剖面 性能要求、设计参数 最优目标： 在满足性能要求的约束条件下，以完成飞行任务所对应的最小飞机起飞总重为最优设计目标。 优化结果,2019年6月16日,8,航空、航天发动机？ 航空发动机：飞机发动机，20000m以下 航天发动机：火箭发动机,2019年6月16日,9,航空发动机（涡扇）的技术难点？ （1）部件承受高温高压 （2）螺蛳壳里做道场 （3）高超的精密铸造工艺 （4）先进涡轮制造方法 （5）先进风扇制造技术 （6）先进的材料技术,2019年6月16日,10,“工业王冠”,（1）部件承受高温高压,苏27的AL-31发动机： 最大加力推力：12.5吨； 风扇直径：900mm； 涡轮直径： 300mm； 涡轮前温度：1665K。,2019年6月16日,11,（2）装配精度要求极高,AL-31为例，4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室，冷却空气通道，燃油控制系统等。同时高速运转,2019年6月16日,12,（3）高超的精密铸造工艺,2019年6月16日,13,F-119发动机让F-22能以1.7音速进行超音速巡航 涡轮前温度：1977K，超出普通钢的熔点200多度,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片，一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔，需要极高超的精密铸造工艺。,（4）先进的涡轮焊接技术 涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上， 采用整体叶盘：即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上，重量可比传统工艺制造的降低30% 除了美英3家航发巨头，其它国家也还未能应用于批量生产。,2019年6月16日,14,通用F-119和罗罗瑞达900发动机 宽弦叶片： （1）将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片 （2）真空扩散焊成一整体空心叶身，最后超塑成极为复杂的曲面,2019年6月16日,15,（5）先进的风扇制造技术,（6）先进的材料技术,比强度高、耐热性好、抗腐蚀能力强、疲劳强度高、抗冲击、长时间稳定的材料制造 早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢 目前采用钛合金、高温合金和复合材料,2019年6月16日,16,6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘、 3级风扇则全部采用宽弦叶片、 推重比达到10、在迎风面积较小的情况下，最大加力推力超过15吨,2019年6月16日,17,美军F-22A的F-119涡扇发动机为例,我国航空发动机研发情况,以前的发展思路是：仿制 “工业王冠”，有各种新理论、新材料、新工艺，难以仿制 例如：CFM-56，737和320飞机发动机,2019年6月16日,18,我国航空发动机研发情况,即使能仿制发动机的零部件，装配技术也跟不上； 新材料的应用、发动机结构越来越复杂，加工工艺要求更高 仿制的性能不如原型机,2019年6月16日,19,惨痛教训： 例如“太行”涡扇发动机，其核心机就源于CFM-56 05年完成设计定型，但8年过去了仍然问题不断，只用在双发的歼11战斗机上 单发歼十只能采用俄制AL-31FN,2019年6月16日,20,我国航空发动机研发情况,科研体制： 我国以前航空发动机的研发是跟随型号； 美英等发达国家，发动机与飞机研发基本是分开的，发动机核心机的研发提前很多 美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机，但美国的核心机技术已发展到第六代,2019年6月16日,21,我国航空发动机研发情况,研制涡扇发动机非常困难： 没有捷径 自主研发 投巨资进行预研 通过数十年的努力追赶世界先进水平 机遇与挑战,2019年6月16日,22,我国航空发动机研发情况,航空发动机溯源,19世纪中叶，人们通过观察鸟类飞行、风筝飞升、模型吹风试验和亲身驾驶滑翔机，已经基本掌握了飞机的飞行原理。 同时，由于船用螺旋桨的发明和广泛应用，也有了合适的飞行推进装置螺旋桨 从此以后，动力问题就成为困扰航空先驱的主要问题。,2019年6月16日,23,航空发动机溯源,我的发明（飞机）唯一无法解决的就是动力问题。 “空气动力学之父” 乔治凯利【英】,2019年6月16日,24,航空发动机溯源,笨拙的蒸汽机飞机在告诉人们，不要再去飞行了。 载人滑翔机发明人 李林塔尔【德】,2019年6月16日,25,航空发动机溯源,早期飞机动力源问题的解决过程 飞机动力源问题未解决导致屡次飞行失败 使用蒸气机作为动力源，质量过重 1876年，德国工程师奥托试制成热效率高于蒸汽机的四冲程煤气内燃机 人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源,2019年6月16日,26,航空发动机溯源,缺乏动力的局面一直持续了半个多世纪，直到1903年12月17日，莱特兄弟发明的第一架带动力、可操纵的载人飞机飞上蓝天。,2019年6月16日,27,飞行者一号,航空发动机溯源,飞行者1号的诞生，标志着人类现代航空新纪元的到来。 毫无疑问，除了发明家以外，这项伟大发明的最大功臣就是其动力解决方案航空活塞式发动机。,2019年6月16日,28,航空发动机溯源,航空发动机从狭义上讲是航空器飞行的动力，从广义上讲它也是航空事业发展的推动力。,2019年6月16日,29,航空发动机溯源,航空发动机两个发展时期： 1、从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止 活塞式发动机统治了40年左右 2、从第二次世界大战结束至今 60年以来，航空燃气轮机取代了活塞式发动机 开创了喷气时代，占据了航空动力的主导地位,2019年6月16日,30,活塞发动机时期,从1903年到第二次世界大战结束为止 开辟了航空史 活塞发动机原理： 是将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能装置 又称为活塞式内燃机 利用燃气膨胀推动活塞做往复运动，再通过曲轴变成旋转运动，最后通过减速器驱动螺旋桨产生拉力,2019年6月16日,31,活塞发动机时期,活塞发动机的发展 飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展 两次世界大战推动发动机的性能提高： 1）单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右 2）螺旋桨飞机的V从16km/h提高到近800 km/h 3）飞行高度达到15000 m 到40年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰,2019年6月16日,32,问题？,为什么活塞发动机退出航空发动机的主流？,2019年6月16日,33,1、功率与重量的矛盾 发动机功率与飞行速度的三次方成正比 功率增加，重量迅速增大,2、螺旋桨的局限 发动机仅是热机，必须与螺旋桨配合使用 飞行速度大于700公里/小时后螺旋桨效率下降,燃气涡轮发动机时期,从第二次世界大战结束至今 开辟了航空史的新纪元 燃气涡轮发动机原理： 是将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能装置 它既是热机,又是推动器 由高速流过发动机的气体对发动机的反作用力来推动飞机运动的,2019年6月16日,34,燃气涡轮发动机时期,燃气涡轮发动机的发展 1937年，英国的惠特尔公司和德国的奥海因公司分别研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和HeS3B ，1939年8月27日HeS3B率先装在亨克尔公司的He-178飞机上试飞成功（新纪元） 1942年，英国研制出第一台涡桨发动机“曼巴”，装载于海军“塘鹅”舰载反潜飞机上,2019年6月16日,35,燃气涡轮发动机时期,燃气涡轮发动机的发展 1950年，法国透博梅尔公司研制出第一台涡轴发动机“阿都斯特I型”，装备于美国S52-5直升机试飞成功。 1959年，英国罗尔斯罗伊斯公司研制出第一台涡扇发动机，装备于VC-10客机上。,2019年6月16日,36,航空发动机介绍,作用 热能转变为机械能 特点 吸气式发动机，吸入空气作为燃料氧化剂。 类别 活塞式发动机 燃气涡轮发动机 冲压喷气发动机,2019年6月16日,37,燃气涡轮发动机分类,涡轮喷气发动机（涡喷） 涡轮风扇发动机（涡扇） 涡轮螺桨发动机（涡桨） 涡轮轴发动机（涡轴）,2019年6月16日,38,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 描述发展中的发动机时，分别用X和Y表示。第一个字母是X时，表示处于发展阶段； 第一个字母是Y时，表示处于发展范畴； 应用时，两字母放在完整发动机型号之前。,2019年6月16日,39,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 1、型号标志：类型字母+类型代号 类型字母： J-涡轮喷气发动机（turbo-jet ） T-涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机（turbo-shaft 、turbo-propeller） F-涡轮风扇发动机（turbo-fan）,2019年6月16日,40,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 1、型号标志：类型字母+类型代号 类型代号： 空军从100号开始； 海军从400号开始； 陆军从700号开始。,2019年6月16日,41,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 2、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号 GA加雷特航空研究公司（Garrett） AD艾利逊公司（Allison） CA特里达因大陆公司Teledyne Continental WA科蒂斯莱特公司（Curtis-Wright） GE通用电气公司（ General Elecctric ）,2019年6月16日,42,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 2、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号 LD阿芙科莱康明公司（AVCO Lycoming） PW普拉特惠特尼公司（Pratt&Whitney） RR罗尔斯罗伊斯公司（Rolls-Royce） CP普拉特惠特尼加拿大公司（ Pratt&Whitney Canada）,2019年6月16日,43,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 2、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号 WV西弗吉尼亚普拉特惠特尼公司（Pratt&Whitney West Virginia） WR威廉斯国际公司（Williams）,2019年6月16日,44,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 3、序号标志：序列编号（+尾标字母） 序列编号： 空军从100号开始，按顺序排号； 海军从400号开始，按顺序排号； 陆军从700号开始，按顺序排号。,2019年6月16日,45,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 3、序号标志：序列编号（+尾标字母） 尾标字母： 表示改进了的发动机，从A,B,C开始按顺序给定（不包含I和O）,2019年6月16日,46,燃气涡轮发动机命名,美国命名法完整发动机型号： 型号标志-制造厂代号-序号标志 例：F119-PW-100 F：涡轮风扇发动机类型字母 119：空军研制的发动机类型代码 PW：普拉特惠特尼公司的字母符号 100：空军使用的发动机的序列编号,2019年6月16日,47,燃气涡轮发动机命名,中国命名法完整发动机型号： 型号标志+序号+改进代号 1、型号标志： WP（涡喷）、WS（涡扇）、WJ（涡桨）、WZ（涡轴）、HS（活塞） 2、序号： 用阿拉伯数字表示，在发动机型号内排序,2019年6月16日,48,燃气涡轮发动机命名,中国命名法完整发动机型号： 型号标志+序号+改进代号 3、改进代号： 大写汉语拼音A，B，C，（不用L，O，X）,2019年6月16日,49,燃气涡轮发动机命名,中国命名法完整发动机型号： 型号标志+序号+改进代号 例：WJ6A WJ：涡轮螺旋桨发动机的型号代号； 6：发动机的序号； A：发动机改进代号。,2019年6月16日,50,2019年6月16日,51,军用航空发动机各国研制情况,发动机主要设计参数变化趋势,典型亚音速飞机发动机 典型军用发动机 压气机增压比：8 3840 涡轮前温度： 1200 1850