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飞机的动力装置 机电1401黄宇 王小强 况林锋 2019 10 20 1 航空发动机的种类 脉动式喷气发动机 喷气式发动机 带压气机和涡轮的 不带压气机的 火箭发动机 涡轮喷气发动机 涡轮螺浆发动机 涡轮风扇发动机 涡轮轴发动机 活塞式发动机 冲压式喷气发动机 惠普 通用和罗罗 Roll Royce 是专门的发动机厂 航空发动机 2 2020 1 8 2 活塞式发动机 活塞式发动机的工作原理 基本构件 汽缸和活塞曲轴和连杆 工作原理 汽缸中的混合气体膨胀做功推动活塞运动 通过连杆与曲轴相连 将活塞的直线运动转化为曲轴的转动 将热能转化为机械能 3 2020 1 8 2 活塞式发动机 活塞式发动机的结构和系统燃料系统 冷却系统 启动系统 活塞发动机的性能性能指标 1 燃油消耗率2 重量功率比特点 1 随着飞行高度提高 大气稀薄 发动机功率减小2 低速飞行时 经济性能较好 4 2020 1 8 3 螺旋桨 活塞式发动机不能单独驱动飞机它必须驱动螺旋桨才能使飞机运动 因而活塞发动机和螺旋桨在一起才构成了飞机的推进系统 5 2020 1 8 3 螺旋桨 1 螺旋桨的结构 螺旋桨由几个叶片组成 每个叶片从根部到颈部扭曲 与叶片轴线垂直的截面相当于机翼的一个翼型 螺旋桨的迎角 桨叶叶弦相对于迎面气流的角度 螺旋桨的迎角从根部到顶部逐渐变小 是为了保持叶片的各段产生大致相等的拉力 这是螺旋桨做成扭曲形状的主要原因 桨叶剖面的弦与旋转平面的夹角我们称为桨叶角 6 2020 1 8 3 螺旋桨 2 螺旋桨的工作原理螺旋桨由叶片组成 叶片的横断面相当于机翼的翼型 它相对于空气运动时 把空气向后排开 空气的反作用力给它一个向前的拉力 从而推动飞机运动 7 2020 1 8 3 螺旋桨 3 螺旋桨的变距变距螺旋桨 就是桨叶角可以改变的螺旋桨 飞行速度高时 桨叶角变大 增加拉力 飞行速度低时桨叶角变小 4 螺旋桨的顺桨和逆桨顺桨 当双发 或多发 飞机一发失效后 为减小螺旋桨的飞行阻力 使桨叶角增加到90度左右 反桨 逆桨 使桨叶角减小到出现负桨叶迎角 产生负拉力 缩短着陆滑跑距离 8 2020 1 8 3 螺旋桨 4 螺旋桨飞机的特点 1 耗油低 经济性好 2 结构简单 维护简单 可靠性好 3 适于低速小型飞机 800公里 小时以下 9 2020 1 8 4 喷气式发动机 喷气式发动机的原理根据牛顿第三定律 作用力等于反作用力 作用在飞机上的推力等于气体排出时所用的力 由牛顿第二定律 式中 m 是喷出的燃气的质量 v2 是燃气喷出时的速度 v1 是飞机的速度 10 2020 1 8 4 喷气式发动机 喷气式发动机的组成涡轮喷气式发动机的结构示意图涡轮喷气式发动机的组成 进气道 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管 燃油热能机械能推力 11 2020 1 8 4 喷气式发动机 1 进气道功能 在各种状态下 将足够量的空气 以最小的流动损失 顺利地引入发动机 在飞行中还可通过冲压作用提高气体压力 12 2020 1 8 4 喷气式发动机 2 压气机功能 通过旋转的叶片对气体进行压缩 提高空气的压力 为燃气膨胀作功创造条件 同时为飞机和发动机提供高压气源 13 2020 1 8 4 喷气式发动机 压气机形式不同分为轴流式和离心式两种 离心式结构紧凑 但结构复杂 气流转变多 损耗大 离心式多用于小型飞机 大型飞机多采用轴流式 14 2020 1 8 4 喷气式发动机 3 燃烧室功能 将喷嘴供应的燃油和压气机供应的空气混合燃烧释放热量 供给涡轮所需的均匀加热的平稳高温高压燃气流 15 2020 1 8 4 喷气式发动机 4 涡轮功能 高温高压燃气膨胀 将热能转换成涡轮的机械能 同时驱动压气机和附件提供功率 在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机它还为螺旋桨和旋翼提供轴功率 16 2020 1 8 4 喷气式发动机 5 尾喷管功用 使从涡轮流出的燃气膨胀 加速 以一定的速度和要求的方向排入大气 得到需要的推力 也可通过反推力装置改变喷气方向 产生反推力 缩短飞机的滑跑距离 17 2020 1 8 4 喷气式发动机 2 涡轮螺旋桨发动机全部动力 螺旋桨拉力为主 约90 喷气产生推力只占10 左右 18 2020 1 8 4 喷气式发动机 螺旋桨飞机的特点螺旋桨在飞行速度达到800千米 小时的时候 桨尖部分实际上已接近了音速 跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降 螺旋桨的迎风面积大 阻力也大 极大阻碍了飞行速度的提高 在较低的飞行速度下 具有较高的推进效率 所以它在中低速 低亚音速 飞行时的经济性较好 19 2020 1 8 4 喷气式发动机 3 涡轮风扇发动机由进气道 风扇 压气机 燃烧室 涡轮 和喷管组成 20 2020 1 8 4 喷气式发动机 涡扇发动机的特点涡扇发动机组合了涡喷和涡桨发动机的优点效率高 适合高亚音速 M 0 8 0 9 飞行喷气噪音低 风扇噪音大推力由内涵和外涵共同产生 风扇是产生正推力的主要部件 约占80左右 目前 民航运输机广泛采用高涵道比的涡扇发动机 保证足够的推力和良好的经济性 21 2020 1 8 4 喷气式发动机 4 涡轮轴发动机由涡桨发动机改进而来 输出功率主要形式是轴功率 用于直升机 采用两套独立涡轮 工作涡轮带动压气机 维持发动机工作 自由涡轮通过齿轮箱带动旋翼 22 2020 1 8 4 喷气式发动机 23 2020 1 8 发动机适用范围 24 2020 1 8 航空燃气涡轮发动机 主要部件 附件系统 进气道 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管 燃油系统 启动系统 附件传动系统 润滑系统 控制仪表系统 冷却系统 25 2020 1 8 辅助动力装置机载辅助动力装置 APU 用于各类运输机上 是建立在一台小型涡轮发动机上的 装在飞机机身尾部 在地面工作时 可以提供电源和气源 用于启动主发动机及飞机空调用气 以使飞机减少对地面设备的依赖 在空中一定高度上 可以提供电源 气源 26 2020 1 8 5 发动机的性能和安装位置 发动机性能参数发动机性能主要由推力特性和燃油消耗特性来表征 1 推力特性 1 发动机压力比发动机压力比指低压涡轮的出口总压与低压压气机进口总压之比 同气流通过发动机的加速成比例 对于轴流式压气机的涡扇发动机它表征推力 用EPR表示 27 2020 1 8 3 排气温度 排气温度 涡轮进口总温是发动机最重要 最关键的一个参数 也是涡轮发动机的重要限制参数 用EGT表示 4 风扇转速 高涵道比涡扇发动机 常用风扇转速 N1表征推力 2 发动机涵道比 发动机涵道比 涡扇发动机通过外涵的空气质量流量与通过内涵的空气质量流量之比 涵道比为 1左右是低涵道比 2 3左右是中涵道比 4以上是高涵道比 5 发动机的性能和安装位置 28 2020 1 8 5 发动机的性能和安装位置 发动机的效率发动机的效率包括发动机热效率 推进效率和总效率 热 内 效率 发动机产生的机械功与发动机燃油完全燃烧放出热量之比 推进 外 效率 推进功与可用功之比总效率 0 推进功与燃料完全燃烧放出热量之比 也等于热效率与推进效率的乘积 用来表示燃油燃烧的热能有多少转化为飞机的动能 0 29 2020 1 8 5 发动机的性能和安装位置 安装在机翼上噪音和振动太大 已经基本淘汰 吊装在机翼下 翼吊布局 减少机翼结构重量 噪音影