飞机系统教学课件：第6章 动力装置

1、中国民航大学 空管学院,第六章 动力装置,飞机的动力装置是飞机的核心部分，发动机被认为是飞机的心脏。,动力装置是指飞机提供动力的整个系统，它由发动机和其他附件组成。这些附件包括：发动机燃油系统、点火系统、润滑系统、控制仪表系统和反推力系统等。,发动机制造厂商：普惠、罗罗和通用等,燃气涡轮发动机的分类,进气道（inlet duct）、压气机（compressor）、燃烧室（combustion）、涡轮（turbine）、尾喷管（nozzle）,1.涡轮喷气发动机（turbojet engine）,一、发动机的组成,（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

2、入压气机,并在压气机进口形成均匀的流场以避免压气机叶片的振动和压气机失速。,（2）压气机,主要功能：通过旋转的叶片对空气进行压缩, 提高空气的压力, 为燃气膨胀作功创造条件, 以改善发动机的经济性, 增大发动机的推力。 次要功能：热空气用于防冰；引气用于机舱增压、空调、燃油系统除冰；供应引气，冷却热部件。,工作原理： （1）转子由涡轮带动高速旋转，空气被连续不断地吸入压气机； （2）旋转的转子的叶片使空气加速，增加能量使压力升高； （3）在随后的静子通道中减速（扩压）并将动能转换成压力。,压气机分类,根据压气机的结构型式和气流的流动特点，航空燃气轮机用的压气机分： （1）离心式压气机 空气在工

3、作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的方向流动 （2）轴流式压气机 空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴线方向流动 （3）混合式压气机 目前常用的是轴流式压气机,离心式压气机,又称径向外流压气机，由导流器、 工作叶轮、 扩压器、导气管等部分组成，叶轮和扩压器是离心式压力机的两个主要部件。,气体流动： 轴叶轮扩压器(静叶片)集气管进入燃烧室,两级单面叶轮离心式压气机,单面叶轮 双面叶轮,离心压气机的特点：,优点： 单级增压比高； 稳定的工作范围宽； 结构简单可靠； 重量轻，所需起动功率小。 缺点： 流动损失大，不适于多级，最多两级； 效率较低； 单位面积的流通能力低，迎风面积大，阻力大。,轴流式压气机,由高速

4、旋转的转子以及与机匣固定在一起不动的静子组成。 转子对空气作功, 压缩空气，提高空气的压力 静子使空气扩压，继续提高空气的压力,轴流式压气机,压气机一级概念：1个工作叶轮1个位于其后的整流器就形成轴流式压气机的一级 多级轴流式压气机概念：工作叶轮与整流环交错排列就形成了多级轴流式压气机。,多级轴流式压气机,发动机喘振,定义 当发动机工作状态严重偏离了设计值，气流在叶片通道内发生严重的气流分离，引起气流在压气机中忽断忽续的、轴向的、周期性的，低频高幅的振荡现象。 危害 轻微的喘振对飞行安全不会有影响，但会影响发动机寿命。 严重的喘振会使性能恶化、振坏、烧坏机件，引起发动机熄火、停车，甚至直接使发

5、动机报废，危及飞行安全。,4.燃烧室,（1）功用： 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。,（2）对燃烧室的基本要求 点火可靠、燃烧稳定、燃烧效率高、压力损失小、尺寸小、出口温度场分布满足要求、燃烧完全、排气污染小、寿命长，能在地面和空中可靠的点燃。,（3）燃烧室的类型,多个单管燃烧室、环管形燃烧室和环形燃烧室,单管燃烧室,优点：是设计简单，结构强度好，能够单个的拆卸和更换。 缺点：它们较重和需要更多的空间，需要复杂的空气供应管路，气动损失非常高。点火困难。,环管形燃烧室,优点：比多管燃烧室尺寸较小，重量较轻。它不需要复杂的空气供应管路

6、，结构强度好。 缺点：气动损失相当高和从一个火焰筒到另一个点火困难。,环形燃烧室,优点：长度只有同样直径的环管形的75%，节省了重量和成本。消除了各个燃烧室之间的燃烧传播问题。冷却空气量的减少，燃烧效率提高。 缺点：制造费用高，拆卸困难和耗费时间。,5.涡轮,（1）功用： 从燃烧室出来的燃气中吸收能量，并将其膨胀到较低的压力和温度，产生扭矩。 实际就是将热燃气的能量转换成机械能为驱动压气机和附件提供功率。在涡轮螺旋桨、涡轮风扇和涡轮轴发动机它还为螺旋桨、风扇和旋翼提供轴功率。 涡轮是高温高压燃气作用下旋转做功的部件，由静子和转子组成，能量交换方式与压气机正好相反。,涡轮,6.喷管,（1）功用：

7、 喷管的主要功用：是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。 在涡轮喷气，涡轮风扇发动机中排气流的速度和压力产生推力； 在涡轮螺旋桨发动机中，排气流只提供少量的推力，大部分能量已经由涡轮吸收，用来驱动螺旋桨。,6.喷管,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：,喷气发动机的原理,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。,以空气作为工质： 1、进气道将所需的外界空气以最小的流动损失送到压气机； 2、压气机通过高速旋转的叶片对空气压缩作功，提高空气的压力； 3、空气在

8、燃烧室内和燃油混合燃烧，将燃料化学能转变成热能，生成高温高压的燃气； 4、燃气在涡轮内膨胀，将燃气热能转变为机械能，驱动涡轮旋转，带动压气机； 5、燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，燃气以较高速度排出，产生推力。 产生高温高压燃气的装置称为：燃气发生器,（2）工作过程,（1）组成,2.涡轮螺旋桨发动机,由航空燃气轮机、螺旋桨、减速器组成，它的结构特点是在涡喷发动机的基础上加了一个螺旋桨和减速器。,螺旋桨推进和喷气推进,由于涡轮轴转速远高于螺旋桨的工作转速，它们之间装有减速器。 减速器：使螺旋桨在较低的转速下工作；使发动机在高速下工作，双方都使整台发动机具有较高的效率。 在涡轮螺桨发动机，涡轮输出

9、功率带动螺旋桨，使其产生拉力； 从喷管喷出的燃气产生的推力对整个推进力占很小的份额。,螺旋桨可由压气机轴直接驱动或由自由涡轮轴驱动。,空气通过进气道进入发动机 压气机将空气压缩 高压空气进入燃烧室和燃油混合燃烧将化学能转变为热能形成高温高压燃气 高温高压燃气在涡轮膨胀，推动涡轮旋转带动压力机和螺旋桨。 大量空气流过螺旋桨，其速度增加使螺旋桨产生很大拉力。,（2）工作过程,涡轮输出的功率大于压气机所消耗的功率,大出的部分传给螺旋桨 涡桨发动机的总推力由两部分组成： 螺旋桨产生的拉力，占8590 反作用推力，占1015 在一定亚音速范围内，具有较好的经济性， 发动机工作效率比涡轮喷气发动机高的多。

10、 螺旋桨是对大量的空气施加相对小的加速产生拉力；涡喷发动机是对较小量的空气施加相对大的加速产生推力。,（3）特点,速度一般800公里/小时以下，适用于中速客机和支线客机,涡扇发动机由进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管组成。压气机有低压压气机和高压压气机，涡轮也有高压涡轮和低压涡轮。,（1）组成,3.涡轮风扇发动机,涡轮风扇发动机,涡扇发动机组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点。,主要机件,CFM56-7发动机,空气流经风扇后分成两路： 一路是内涵气流，空气继续经压气机压缩，在燃烧室和燃油混合燃烧，燃气经涡轮和喷管膨胀，燃气以高速从尾喷口排出，产生推力； 另一路是外涵气流，流经风扇后的空

11、气直接通过管道排到机外（短外涵）或者一直流到尾喷口同内涵气流混合或分别排出（长外涵）,（2）工作过程,外涵道与内涵道的流量之比，叫做涵道比，也叫流量比。,风扇它可由单独的涡轮驱动（如三转子发动机），也可是低压涡轮驱动的低压压气机的第1级（如双转子发动机）。,长外涵,短外涵,涵道比越大，流量越大,推力大 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，风扇是产生推力的主要部件。,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。,涡扇式发动机特点,工作和构造上，涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机

12、的原理演变而来，只不过涡桨是将风扇变成了螺旋桨，而涡轴是将风扇变成了直升机的旋翼。,（1）组成,4.涡轮轴发动机,涡轮轴发动机包括：燃气发生器和自由涡轮。 自由涡轮和燃气发生器涡轮只有气动联系，即流过燃气发生器涡轮的燃气再驱动自由涡轮，自由涡轮输出功率。 现代飞机上的辅助动力装置（APU）也是一台小型燃气涡轮轴发动机,涡轮轴发动机,（2）工作过程,自由涡轮(即不带动压气机）是专为输出功率用的涡轮。 涡轮轴发动机通过轴输出功率，如做直升机动力装置，即通过减速器驱动直升机旋翼或驱动其他工业装备。（他的功率输出是以扭矩的大小计量）,低压涡轮,高压涡轮,低压压气机,高压压气机,风扇,燃烧室,附件齿轮箱

13、,低压转轴,风扇,低压压气机,低压涡轮,高压转轴,高压压气机,高压涡轮,附件齿轮箱,低压压气机,四、发动机性能参数,（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,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,（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）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

14、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。,第二章 第四节 动力装置,（5）单位推力,发动机的推力与每秒钟流过发动机的空气质量流量之比，称作发动机的单位推力。,（6）推重比,发动机的推力与发动机的净重之比。,消耗单位燃油量，飞机可飞的距离。,第二章 第四节 动力装置,2.燃油消耗性能,（1）燃油消耗率,（2）燃油流量,（3）燃油里程,单位时间产生单位推力所消耗的燃油量。,每台发动机单位时间消耗的燃油量。, 涡轴发动机 （主要用于直升机） 涡桨发动机 （主要用于低速飞行，支线飞机） 涡扇发动机 （主要用于高亚音速飞行，干线飞机和军机）

15、 涡喷发动机 （主要用于超音速飞行，军机） 加力式涡喷发动机和加力式涡扇发动机 （主要用于军机） 超音速冲压式喷气发动机和组合式发动机 （主要用于军机）,各类发动机适用范围,六、发动机其他系统,1.指示系统,发动机压力比（EPR）或风扇转速（N1） 发动机 N1 和N2 超速保护 排气温度（EGT） 防止超温 发动机燃油流量,A320,A320,A320,A320,A320,2.警告系统,警告系统： 提供出现故障或存在危险情况的指示，以便于采取措施保护发动机和飞机。 如，当出现低滑油压力，低燃油压力，振动过高或过热情况时，这些系统可以发出警告。 音响警告：可以是告警灯、警铃或喇叭声。 目视警告

16、：闪光灯，能吸引驾驶员对中央警告板的注意。,A320,3.燃油系统,功用：是在各个工作状态下将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、计量好的燃油供给发动机。 发动机燃油系统是从飞机燃油系统将燃油供到发动机的燃油泵开始，一直到燃油从燃烧室喷嘴喷出。 发动机控制应该避免发动机工作中出现超温、超转、喘振、贫油或富油熄火、超压和超扭。,A320,4.滑油系统,滑油的功用： （1）减少摩擦，降低磨损。因为滑油可将相对运动的零件金属表面隔开，只要油膜不破裂，流体内部摩擦代替金属摩擦。,（2）清洁滑油。在发动机内循环流动过程中，将磨损的金属屑、灰尘、碳粒子、水分等杂质一起带走，直到滑油滤被阻挡住，从而起到清洁发动机

17、的作用。 （3）还在金属零件之间形成缓冲层，起隔振、封严、密封作用。,A320,5.起动和点火系统,发动机从静止状态到慢车转速的过程称为：起动。 为保证燃气涡轮发动机能够良好启动，需要两套独立的系统。 首先，应有设备将压气机和涡轮带转到一定转速，这时适量的空气进入燃烧室同喷嘴喷出的燃油相混合。 其次，应有设备使燃烧室中空气燃油混合气点燃。 再次，发动机达到自维持转速后，起动机开始脱开。 最后，发动机仅由涡轮做功自行加速到慢车转速。,启动机类型,空气涡轮启动机：在旅客运输机上是最广泛采用的，因为这是最经济的启动方法，对旅客干扰最小。 空气涡轮启动机需要有气源，它的可用气源有：地面气源，机上辅助动

18、力装置的引气和已工作的发动机的引气。 电动启动机：也广泛采用，并且主要用于涡轮螺旋桨、小型喷气发动机和辅助动力装置上。,点火系统,功用：产生电花，点燃燃气混合气。 采用：利用交流汇流条高能点火，而且总是装备双套系统。 2个点火电嘴装在燃烧室，通常位于4点钟和8点钟位置。 点火系统是短时间工作的，后续喷入的燃油可由燃烧室的热量点燃。 连续点火-当外界条件可能导致燃烧室熄火时，发动机也需要点火系统工作。 每个高能点火装置接受来自飞机供电系统的电源，由启动点火系统电路控制，其中有一个是从飞机应急电源系统供电。,6.反推系统,现代喷气运输机为了缩短着陆滑跑距离，在发动机上安装了反推装置。,反推,7.辅

19、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。 目的： 在地面：提供电源和气源，减少飞机对地面设备的依赖； 在空中：提供备用气源和电源。,7.辅助动力装置,在地面： 为起动发动机和空调系统提供引气 给电源系统供电 起飞过程中： 当飞机需要最佳性能时，由APU完成空调供气，则避免了由于使用引气而造成发动机推力减少。 在飞行中： 电气系统备用 空调系统备用 用于发动机起动,机身吊装,大翼吊装,翼下和机尾安装,七、影响发动机效率因素,1、转速 随着发动机转速增加，进入发动机的空气流量增加；发动机推力增加。 随着发动机转速增加，压气机效率和涡

20、轮效率增加，所以发动机总效率增加，发动机燃油消耗率减少。,2、飞行条件 在推力公式中最重要的变量是空气质量流量， 空气温度和压力决定进入发动机的空气密度，影响空气流量。 当空气密度减小时，空气流量减少，发动机产生的推力减小。,飞行条件是指： 1.空气速度 2.空气温度 3.大气压力 4.飞行高度 5.大气湿度,飞行速度 当油门位置一定仅考虑通过发动机空气速度的变化时，随着飞机速度的增加，推力减少； 另一方面，冲压的影响增加空气流量增大推力(见图) 总的影响是空速增加，推力增加。,空气温度 空气温度增加，空气密度减小，发动机产生的推力减小。 见图。,大气压力 大气压力增加，空气密度增大。发动机产

21、生的推力增大。,飞行高度 在11000m以下时，飞行高度增加，空气压力减小，空气温度降低。但是，外界空气压力的减小比温度下降的快，发动机实际推力随高度增加而减小。 在11000m以上时，随着飞行高度的增加，大气温度不再变化，大气压力减少，空气流量减少更多，发动机推力下降更快。,大气湿度 当大气湿度较大时，气体中的水分增加，气体密度减少，进入发动机的空气流量减少；同时大气湿度增加，燃烧速度减慢，涡轮前温度降低，燃气膨胀能力降低，排气速度减少；最终发动机推力减少。,压气机引气 为确保飞机各系统和发动机的工作正常，常需要从压气机引出部分增压空气，用于飞机客舱和驾驶舱的空调、增压、涡轮冷却、飞机和发动

22、机防冰除冰。 压气机引气的结果，使涡轮前温度升高，燃油消耗量增加，发动机推力减小，发动机加速性也变差。 所以，在飞机起飞、着陆阶段（尤其在高温高原机场），应尽可能减少压气机的引气量，确保发动机的推力性能及发动机使用寿命。,八、民航发动机常用的工作状态,飞行中不同的飞行阶段对发动机的推力有不同的要求，因而发动机对应有不同的工作状态。 实际飞行中，不同的油门位置，对应了不同的发动机转速，给定不同的发动机状态。,最大工作状态 发动机在最大转速和最高涡轮前温度时的状态，此时发动机发出最大推力，该推力级别使用有时间限制，一般不超过5min。仅用于起飞； 飞机在紧急起飞、短跑道起飞、高温高原机场起飞时，为了尽可能缩短起