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航空发动机发展综述 上海交通大学陈勇2016 7 提纲 航空发动机的发展历史活塞式喷气式 涡轴 涡喷 涡桨 涡扇 航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军 民用涡扇发动机 航空发动机发展历史 航空发动机百年历史可分为两个时期 第一个时期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年左右第二个时期从第二次世界大战结束至今60年来 航空燃气轮机取代了活塞式发动机航空燃气轮机开创了喷气时代 居航空动力的主导地位 活塞式发动机时期 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1810年 英国科学家凯利发现了飞行原理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 活塞式发动机 螺旋桨型式 活塞式发动机时期 活塞式发动机的发展飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展早期液冷式 气冷发动机两次世界大战推动发动机的性能提高 单机功率从不到10kW增加到2500kW左右螺旋桨飞机的V从16km h提高到近800km h飞行高度达到15000m到40年代末 活塞发动机达到了发展的顶峰 活塞式发动机的优点 经济性较好 不但耗油率低 而且单位功率的售价低 燃烧较完全 所以对环境的污染相对较小 噪音较小 目前 活塞式航空发动机仍广泛地应用于小型低速飞机 活塞式发动机固有的缺陷 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发动机功率的增加 将导致发动机重量迅速增大 接近三次方关系 螺旋桨的局限接近音速时 导致螺旋桨工作不稳定 推进效率急剧下降 音障 的出现 喷气推进原理 原理 牛顿第三定律 作用力等于反作用力喷气发动机在工作时 从前端吸入大量的空气 燃烧后高速喷出 在此过程中 发动机向气体施加力 使之向后加速 气体也给发动机一个反作用力 推动飞机前进 航空燃气涡轮发动机 航空燃气涡轮发动机有四种基本类型涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺桨发动机涡轮轴发动机地面燃气轮机 船 舰用燃气轮机 这些发动机中都有压气机 燃烧室和燃气涡轮 因此统称燃气涡轮发动机 航空发动机的工作原理 航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种 从产生 输出能量的原理上讲 燃气涡轮发动机和活塞发动机是相同的 都需要有进气 压缩 燃烧和排气这四个阶段 核心机压气机燃烧室燃气涡轮 分类依据 在航空燃气涡轮发动机中 进入发动机的空气经压气机压缩后 流入燃烧室与喷入的燃油混合后燃烧 形成高温高压的燃气 在进入燃气涡轮中膨胀做功 使涡轮高速旋转并输出功率 由燃气涡轮出来的燃气 仍具有一定的能量 正是这股具有能量的燃气 才产生了发动机的推力或输出功率 利用这股燃气能量的方式不同 就相应地产生了不同类型的燃气涡轮发动机 涡轮喷气发动机结构 进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管加力燃烧室 涡轮和尾喷管之间 涡轮喷气发动机 WP 涡轮喷气发动机 WP 加力燃烧室装在涡轮后 短期供入燃油燃烧 使排气温度 速度增加 增加发动机推力 涡轮喷气发动机 WP 用于 歼六强五 涡喷六 WP 6 发动机 涡轮喷气发动机 WP 涡轮喷气发动机 WP 涡轮风扇发动机 WS 特征 将涡轮出来的燃气再流入一个涡轮 在涡轮中膨胀作功 向前驱动一个直径比原有压气机大的风扇 结构同于压气机 风扇出来的空气一部分流入压气机 称内涵 一部分由压气机外部流过 称外涵 涡轮风扇发动机 WS 特征 续 由尾喷管喷出的燃气速度低了 内涵推力小了外涵气流也产生推力推力大了 排出的能量小了耗油率低了 比涡喷约低1 3涡扇发动机推力 内涵推力 外涵推力 涡喷发动机推力 涡轮风扇发动机 WS 涡轮风扇发动机的涵道比 CFM56 F 404发动机 EJ200 用于欧洲战斗机EF 2000的EJ200涡轮风扇发动机 由图中可以看出 加力燃烧室的长度比风扇 高压压气机 燃烧室 高 低压涡轮几个部件加起来还要长一些 涡轮螺旋桨发动机 WJ 安 70超大型运输机 涡轮螺旋桨发动机 WJ 特征 不直接产生推力 通过减速器带动螺旋桨 螺桨转速不变 桨角变化 得到不同推力 发动机在高亚音飞行时 热力效率高 用于低速运输机及轻型飞机 涡轮螺旋桨发动机 WJ 涡轮螺桨发动机结构简图 涡轮轴发动机 WZ BoeingAH 64DApacheLongbow SikorskyUH 60LBlackHawk 带有两级减速器 用于直升飞机上 涡轮轴发动机 WZ 慕尼黑涡轮联合公司 透博梅卡 罗罗 MTR390 涡轮轴发动机 WZ T 700涡轴发动机 涡轮轴发动机 WZ 涡轮轴发动机 WZ 用于NH90直升机 涡轮轴发动机 WZ 涡轮轴发动机 WZ 地面用燃气轮机 油田灭火机 地面用燃气轮机 野外发电机 喷气发动机与活塞式发动机对比 1 活塞式发动机只是热机 本身不能产生推力 只能从轴上输出功率带动螺旋桨 由螺旋桨产生推力 所以螺旋桨称为推进器 涡轮喷气发动机既是热机又是推进器 2 在一定的飞行速度范围内 随着飞行速度的增加 涡轮喷气发动机产生的推力增加 因为进入发动机的空气质量流量随着飞行速度的增加而增加 因此涡轮喷气发动机适于高速飞行 3 活塞式发动机工作时 只有一个行程对外作功 而燃气轮机工作时 空气是连续不断地被吸入 作功是连续进行的 因而涡轮喷气发动机有更大地功率输出 4 活塞式发动机是往复机械 惯性力大 故转速不能太大 涡轮喷气发动机是旋转机械 转速可以较高 5 活塞式发动机的燃烧过程在封闭的空间中进行 燃烧过程中气体的压力和温度急剧地上升 必须采用笨重的汽缸 涡喷发动机地燃烧过程在开口的空间进行 燃烧过程基本上是等压的 燃烧室结构轻巧 6 与活塞式发动机相比 涡喷发动机最大的缺点是经济性差 燃气发生器 核心机 燃气发生器由压气机 燃烧室和燃气涡轮 简称涡轮 所组成 燃气发生器用于提供高压 高温的燃气 燃气发生器又称发动机的核心机 压气机 压气机的功用依靠其高速旋转的工作叶轮对空气作功 提高空气的压力和温度 供给发动机工作时所需要的压缩空气 重要参数 增压比 P出口 P进口 影响发动机性能好坏的一个主要参数 带有轴流压气机的涡轮喷气发动机 带有离心式流压气机的涡轮喷气发动机 离心式压气机工作叶轮 轴流压气机 轴流压气机的转子和静子 压气机工作叶片 4 涡轮喷气发动机 燃烧室 作用 特点 构造 燃烧室 主要包括 喷嘴 涡流器 火焰筒等 涡轮 作用 燃气膨胀作功驱动压气机组成 静子转子特点 高温 高转速涡轮前燃气温度 影响发动机性能好坏的一个重要参数 涡轮 燃气涡轮在高温高压燃气的作用下高速旋转 将燃气中的部分热能和压力能转换成机械功 带动压气机和附件工作 航空燃气涡轮功率大 效率高 转速快 燃气温度高 所以工作条件十分恶劣 48 涡轮 燃气在涡轮叶片中流动 涡轮叶片 涡轮叶片散热 4 涡轮喷气发动机 尾喷管 作用 燃气膨胀以高速 550 600米 秒 喷出 尾喷管 典型的扩散 收敛型喷管 SU 27尾喷管 尾喷管内部 后燃器的火焰环 国产涡喷 7发动机及剖视图 加力燃烧室 加力燃烧室装在涡轮后 短期供入燃油燃烧 使排气温度 速度增加 增加发动机推力 进气道 作用 结构 工作特点防止外物打伤 防冰 辅助系统 起动系统燃油系统润滑系统防冰系统防火系统 提纲 航空发动机的发展历史活塞式喷气式航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军 民用涡扇发动机 航空发动机推力的产生原理 TheearliestknownexampleofjetreactionisthatofHero sengine fig 1 4 producedasatoyin120B C 发动机的推力 气流在发动机进 出口的变化进气速度为零 排气速度大增根据牛顿第三定律 这股流过发动机的气流产生发动机的推力 提纲 航空发动机的发展历史活塞式喷气式航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军 民用涡扇发动机 发动机的推力 发动机的推力TT G空气 W出口 W进口 gG空气 每秒流进发动机的空气量 kg sW出口 尾喷管流出的燃气速度 m sW进口 流进发动机的空气速度 m s 涡扇发动机推力 内涵推力 外涵推力 涡喷发动机推力 航空发动机性能指标 推力推重比 功重比发动机在海平面静止条件下最大推力与发动机重力之比 无量纲 耗油率发动机每小时的燃油质量流量与推力或功率之比 Kg daN h 增压比压气机出口总压与进口总压之比 对发动机的做功能力和效率有重要影响 涡轮前燃气温度 3 第一级涡轮导向器进口截面处燃气的总温 提高 3 能增大发动机做功能力 提高热效率 降低耗油率 是衡量发动机技术水平高低的重要标志 涵道比涡扇发动机外涵道和内涵道的空气质量流量之比 小于1 小涵道比 大于4 大涵道比 变循环发动机 涡轮风扇发动机 军用 特征在高性能战斗机上的应用要求 迎风面积小 推重比大发展先进的核心机 采用小涵道比 再装上加力燃烧室 加力式涡轮风扇发动机 起飞推力大加力比 加力推力 不加力推力 大巡航耗油率低减少迎风面积适合战斗机 加力式涡轮风扇发动机扇发动机 F 4 鬼怪 式战斗机用涡扇 斯贝MK202 换装涡喷 J79 后飞机性能的改进 最大M数由2 2 2 4最大航程 54 加速到M 2的时间 1 3爬升到12000m的时间 20 加力式涡轮风扇发动机 60年代后期采用高循环参数总压比 25 T3 1600K发展高性能核心机研制成专为先进战斗机用的 推重比为8 0一级8的发动机第三代典型军用涡扇发动机F100 PW 229129 4kN推重比8 0F110 GE 129129 1kN推重比8 0AL 31F 31 122 6kN推重比8 0 第四代军用涡扇发动机 四代机的特点高的敏捷性好的隐身性短距起飞着陆能力超声速巡航能力四代机对发动机的要求推重比大于10 0不开加力的最大推力即中间推力要大采用矢量喷管 F 35矢量喷口 F22矢量喷口 F22的超机动飞行 苏 37的超机动飞行 钟状机动飞行 苏 27的眼镜蛇机动飞行 Su35超机动飞行 F 22用发动机 F119 PW 100 总压比35涵道比 0 2涡轮前燃气温度 1850 1950K3 6 1 1反向转动的双转子推力157 5kN推重比10 0 F119与F100比较 级数17 11少6级零件数少40 中间推力大47 可使战斗机超声速巡航巡航耗油率低11 可靠性 维修性好 联合攻击机JSF 一机三型一条生产线完成三型飞机生产一机三型CTOL型常规起降23t空军用STOVL短距起飞垂直降落型23t海军陆战队 英海军用CV即舰载型海军用较前二者重 联合攻击机JSF JSF洛克西德公司方案 联合攻击机JSF 联合攻击机JSF F 352001年10月26日美空军宣布洛克希德 马丁的X 35方案为JSF的中标机型并命名为F 35 动力装置之一 洛克西德公司 联合攻击机JSF 动力装置之二 波音公司 GEADVENT发动机 VCE是通过改变发动机一些部件的几何形状 尺寸或位置来改变其热力循环的燃气涡轮发动机 利用变循环改变发动机循环参数 如增压比 涡轮前温度 空气流量和涵道比 可以使发动机在各种飞行和工作状态下都具有良好的性能 高涵道比涡扇发动机 2001年11月19月GE 90推力达到535kN GE90的后续机型GE9X GE90 GE9X GE9X的先进技术 一点思考 航空发动机到底 难 在哪里 HighSpeed HighPressure HighTemp 典型航空发动机结构 DesigntothelimitationofEng Technology HighPressure HighTemperature HighSpeed HighLoadings TipSpeed 1500ft sec speedofsound 1126ft s P3 560psia P41 30000F EngineVib 2milsa Max TipDiameter 128 Manuf Tolerance 3mils 极端苛刻的载荷 TimeonWing TOW 20 000hoursShopVisitRate SVR 05 1000hoursDispatchReliability99 97 InFlightShutDown IFSD 003 1000hoursAbortedTake Off ATO 010 1000flightsAirTurn Back ATB 03 1000flightsMeanTimeBetweenFailure MTBF 50 000hoursChapter5ManualLimit20 000cycles CommonMeasuresofEngineReliability SetTheHighestStandardofIndustryRulesofTheGameIsSetbyWhoKnows DoesTheBest 极高的可靠性要求 VibEndurance quicklookoverallperf aeromechoper