01发动机原理绪论

1、发动机原理发动机原理 航空科学与工程学院航空科学与工程学院 2014年年9月月 教师教师: 祝祝 明明 副教授副教授 办公地点：科研南一号楼办公地点：科研南一号楼301室室 联系电话：联系电话Email: 兼职助教兼职助教: 娄文杰博士娄文杰博士 办公地点：科研南一号楼办公地点：科研南一号楼301室室 联系电话：联系电话Email: 教材及考核方式教材及考核方式 教材：航空燃气涡轮发动机（航空工业出教材：航空燃气涡轮发动机（航空工业出 版社，尚义主编，版社，尚义主编，1995版）版） 参考教材参考教材 航空发动机原理（北京航空航天大学出版社，

2、航空发动机原理（北京航空航天大学出版社， 王云主编）王云主编） 航空发动机原理（西北工业大学出版社，廉筱航空发动机原理（西北工业大学出版社，廉筱 纯主编）纯主编） 考核方式考核方式 平时成绩平时成绩30%+学期末笔试学期末笔试70% 2021年6月4日3 航空发动机溯源航空发动机溯源 19世纪中叶，人们通过观察鸟类飞行、风世纪中叶，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筝飞升、模型吹风试验和亲身驾驶滑翔机滑翔机 ，已经基本掌握了飞机的飞行原理。，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

3、，也有了合适的飞行推进装置螺旋桨螺旋桨 从此以后，动力问题就成为困扰航空先驱从此以后，动力问题就成为困扰航空先驱 的主要问题。的主要问题。 2021年6月4日4 航空发动机溯源航空发动机溯源 我的发明（飞机）唯一无法解决的就是动我的发明（飞机）唯一无法解决的就是动 力问题。力问题。 “空气动力学之父空气动力学之父” 乔治乔治凯利凯利【英英】 2021年6月4日5 航空发动机溯源航空发动机溯源 笨拙的蒸汽机飞机在告诉人们，不要再去笨拙的蒸汽机飞机在告诉人们，不要再去 飞行了。飞行了。 载人滑翔机发明人载人滑翔机发明人 李林塔尔李林塔尔【德德】 2021年6月4日6 航空发动机溯源航空发动机溯源

4、早期飞机动力源问题的解决过程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人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源 2021年6月4日7 航空发动机溯源航空发动机溯源 缺乏动力的局面一缺乏动力的局面一 直持续了半个多世直持续了半个多世 纪，直到纪，直到1903年年12 月月17日，莱特兄弟日，莱特兄弟 发明的发明的

5、第一架第一架带动带动 力、可操纵的载人力、可操纵的载人 飞机飞上蓝天。飞机飞上蓝天。 2021年6月4日8 飞行者一号 航空发动机溯源航空发动机溯源 飞行者飞行者1号的诞生，标志着人类号的诞生，标志着人类现代航空新现代航空新 纪元纪元的到来。的到来。 毫无疑问，除了发明家以外，这项伟大发毫无疑问，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明的最大功臣就是其动力解决方案航航 空活塞式发动机空活塞式发动机。 2021年6月4日9 航空发动机溯源航空发动机溯源 航空发动机从狭义上讲是航空器飞行的航空发动机从狭义上讲是航空器飞行的动动 力力，从广义上讲它也是航空事业发展的，从广义上讲它

6、也是航空事业发展的推推 动力动力。 2021年6月4日10 航空发动机溯源航空发动机溯源 航空发动机航空发动机两个发展时期两个发展时期： 1、从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界、从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界 大战结束为止大战结束为止 活塞式发动机统治了活塞式发动机统治了40年左右年左右 2、从第二次世界大战结束至今、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开创了喷气时代，占据了航空动力的主导地位 2021年6月4日11 活塞发动机时期活塞发动机时期 从从1903年到第二次世界大

7、战结束为止年到第二次世界大战结束为止 开辟了航空史开辟了航空史 活塞发动机原理：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轴变成旋转运动，最后通过减速器驱动螺旋桨 产生拉力产生拉力 2021年6月4日12 活塞发动机时期活塞发动机时期 活塞发动机的发展活塞发动机的发展 飞机用于战争目的推动航空蓬勃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：两次世界大战

8、推动发动机的性能提高： 1）单机功率从不到）单机功率从不到10 kW增加到增加到2500 kW左右左右 2）螺旋桨飞机的）螺旋桨飞机的V从从16km/h提高到近提高到近800 km/h 3）飞行高度达到）飞行高度达到15000 m 到到40年代末年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰活塞发动机达到了发展的顶峰 2021年6月4日13 问题？问题？ 为什么活塞发动机退出航空发动机的主流为什么活塞发动机退出航空发动机的主流 ？ 2021年6月4日14 1、功率与重量的矛盾、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与飞行速度的三次方成正比 功率增加，重量迅速增大功率增加，重量迅速增

9、大 2、螺旋桨的局限、螺旋桨的局限 发动机仅是热机，必须与螺旋桨配合使用发动机仅是热机，必须与螺旋桨配合使用 飞行速度大于飞行速度大于700公里公里/小时后螺旋桨效率下降小时后螺旋桨效率下降 燃气涡轮发动机时期燃气涡轮发动机时期 从第二次世界大战结束至今从第二次世界大战结束至今 开辟了航空史的新纪元开辟了航空史的新纪元 燃气涡轮发动机原理：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 它既是热机它既是热机,又是推动器又是推动器 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 来推动飞机运动的来推动飞机运

10、动的 2021年6月4日15 燃气涡轮发动机时期燃气涡轮发动机时期 燃气涡轮发动机的发展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司分别研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和和 HeS3B ，1939年年8月月27日日HeS3B率先装在亨克率先装在亨克 尔公司的尔公司的He-178飞机上试飞成功（飞机上试飞成功（新纪元新纪元） 1942年，英国研制出第一台涡桨发动机年，英国研制出第一台涡桨发动机“曼巴曼巴” ，装载于海军，装载于海军“塘鹅塘鹅”舰载反潜飞机上舰载反潜飞机上 2021年6月4日16 燃气涡

11、轮发动机时期燃气涡轮发动机时期 燃气涡轮发动机的发展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年，法国透博梅尔公司研制出第一台涡轴 发动机发动机“阿都斯特阿都斯特I型型”，装备于美国，装备于美国S52-5直升直升 机试飞成功。机试飞成功。 1959年，英国罗尔斯年，英国罗尔斯罗伊斯公司研制出第一台罗伊斯公司研制出第一台 涡扇发动机，装备于涡扇发动机，装备于VC-10客机上。客机上。 2021年6月4日17 为什么学为什么学 发动机选型及安装发动机选型及安装 推力、重量或推重比、耗油率推力、重量或推重比、耗油率 发动机安装外廓尺寸发动机安装外廓尺寸 飞机性能计算飞机性能计

12、算 发动机高度特性、速度特性发动机高度特性、速度特性 发动机发动机/飞机一体化设计飞机一体化设计 发动机过程参数发动机过程参数 按完成飞行任务的优劣作为设计目标按完成飞行任务的优劣作为设计目标 2021年6月4日18 有人机的组成有人机的组成 机体机体/机翼机翼/起落架结构起落架结构 座舱座舱/人机交互人机交互 发动机发动机 综合航电系统（机载计算机、综合航电系统（机载计算机、INS、电传）、电传） 燃油、液压、供电系统燃油、液压、供电系统 雷达、告警系统雷达、告警系统 敌我识别、火控与武器系统敌我识别、火控与武器系统 数据链系统数据链系统 2021年6月4日19 有人机的设计有人机的设计 2

13、021年6月4日20 发动机 总体设计 结构 供电 飞控 燃油 F22隐身战斗机隐身战斗机 2021年6月4日21 F119-PW-100 无人机的组成无人机的组成 机体机体/机翼机翼/起落架结构起落架结构 动力系统动力系统 综合航电系统（机载计算机、综合航电系统（机载计算机、INS、电传）、电传） 燃油、供电系统燃油、供电系统 测控系统（视距测控、卫星测控）测控系统（视距测控、卫星测控） 任务系统任务系统 数据链系统数据链系统 2021年6月4日22 全球鹰无人机全球鹰无人机 2021年6月4日23 AE3007H涡轮风扇发动机 X47b无人作战飞机无人作战飞机 2021年6月4日24 F1

14、00-PW-220U 一体化设计实例一体化设计实例 美国先进技术战斗机美国先进技术战斗机ATF招标书招标书 任务剖面任务剖面 性能要求性能要求、设计参数设计参数 最优目标：最优目标： 在满足性能要求的约束条件下，以完成飞行任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。务所对应的最小飞机起飞总重为最优设计目标。 优化结果优化结果 2021年6月4日25 航空发动机介绍航空发动机介绍 作用作用 热能转变为机械能热能转变为机械能 特点特点 吸气式发动机，吸入空气作为燃料氧化剂。吸气式发动机，吸入空气作为燃料氧化剂。 类别类别 活塞式发动机活塞式发动机 燃气涡轮

15、发动机燃气涡轮发动机 冲压喷气发动机冲压喷气发动机 2021年6月4日26 燃气涡轮发动机分类燃气涡轮发动机分类 涡轮喷气发动机（涡喷）涡轮喷气发动机（涡喷） 涡轮风扇发动机（涡扇）涡轮风扇发动机（涡扇） 涡轮螺桨发动机（涡桨）涡轮螺桨发动机（涡桨） 涡轮轴发动机（涡轴）涡轮轴发动机（涡轴） 2021年6月4日27 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 描述发展中的发动机时，分别用描述发展中的发动机时，分别用X和和Y表示。表示。 第一个字母是第一个字母是X时，表示处于发展阶段；时，表

16、示处于发展阶段； 第一个字母是第一个字母是Y时，表示处于发展范畴；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。应用时，两字母放在完整发动机型号之前。 2021年6月4日28 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 1、型号标志：类型字母、型号标志：类型字母+类型代号类型代号 类型字母：类型字母： J-涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（turbo-jet ） T-涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机（涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机（turbo-shaft 、 turbo-propeller

17、） F-涡轮风扇发动机（涡轮风扇发动机（turbo-fan） 2021年6月4日29 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 1、型号标志：类型字母、型号标志：类型字母+类型代号类型代号 类型代号：类型代号： 空军从空军从100号开始；号开始； 海军从海军从400号开始；号开始； 陆军从陆军从700号开始。号开始。 2021年6月4日30 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志

18、 2、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号、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（加雷特航空研究公司（Garrett） AD艾利逊公司（艾利逊公司（Allison） CA特里达因大陆公司特里达因大陆公司Teledyne Continental WA科蒂斯科蒂斯莱特公司（莱特公司（Curtis-Wright） GE通用电气公司（通用电气公司（ General Elecctric ） 2021年6月4日31 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 2、制造厂代号：表示制

19、造厂两个字母符号、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号 LD阿芙科阿芙科莱康明公司（莱康明公司（AVCO Lycoming） PW普拉特普拉特惠特尼公司（惠特尼公司（Pratt&Whitney） RR罗尔斯罗尔斯罗伊斯公司（罗伊斯公司（Rolls-Royce） CP普拉特普拉特惠特尼加拿大公司（惠特尼加拿大公司（ Pratt&Whitney Canada） 2021年6月4日32 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 2、制造厂代号：表示制造厂两个字母符号、制造厂代号：表示制造厂两个字

20、母符号 WV西弗吉尼亚普拉特西弗吉尼亚普拉特惠特尼公司（惠特尼公司（ Pratt&Whitney West Virginia） WR威廉斯国际公司（威廉斯国际公司（Williams） 2021年6月4日33 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 3、序号标志：序列编号（、序号标志：序列编号（+尾标字母）尾标字母） 序列编号：序列编号： 空军从空军从100号开始，按顺序排号；号开始，按顺序排号； 海军从海军从400号开始，按顺序排号；号开始，按顺序排号； 陆军从陆军从700号开始，按顺

21、序排号。号开始，按顺序排号。 2021年6月4日34 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 3、序号标志：序列编号（、序号标志：序列编号（+尾标字母）尾标字母） 尾标字母：尾标字母： 表示改进了的发动机，从表示改进了的发动机，从A,B,C开始按顺序给定开始按顺序给定 （不包含（不包含I和和O） 2021年6月4日35 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 美国命名法美国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志-制造厂代号制造厂代号-序号标志序号标志 例：例：F119-

22、PW-100 F：涡轮风扇发动机类型字母：涡轮风扇发动机类型字母 119：空军研制的发动机类型代码：空军研制的发动机类型代码 PW：普拉特：普拉特惠特尼公司的字母符号惠特尼公司的字母符号 100：空军使用的发动机的序列编号：空军使用的发动机的序列编号 2021年6月4日36 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 中国命名法中国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志+序号序号+改进代号改进代号 1、型号标志：、型号标志： WP（涡喷）、（涡喷）、WS（涡扇）、（涡扇）、WJ（涡桨）（涡桨） 、WZ（涡轴）、（涡轴）、HS（活塞）（活塞） 2、序号：、序号： 用阿拉伯数字表示，在

23、发动机型号内排序用阿拉伯数字表示，在发动机型号内排序 2021年6月4日37 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 中国命名法中国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志+序号序号+改进代号改进代号 3、改进代号：、改进代号： 大写汉语拼音大写汉语拼音A，B，C，（不用（不用L，O ，X） 2021年6月4日38 燃气涡轮发动机命名燃气涡轮发动机命名 中国命名法中国命名法完整发动机型号：完整发动机型号： 型号标志型号标志+序号序号+改进代号改进代号 例：例：WJ6A WJ：涡轮螺旋桨发动机的型号代号；：涡轮螺旋桨发动机的型号代号； 6：发动机的序号；：发动机的序号； A：发动机

24、改进代号。：发动机改进代号。 2021年6月4日39 发动机主要设计参数变化趋势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亚音速飞机发动机 典型军用发动机典型军用发动机 压气机增压比：压气机增压比：8 3840 涡轮前温度：涡轮前温度： 1200 18502000K 2021年6月4日40 主要学习内容主要学习内容 第一章第一章 航空燃气涡轮发动机工作原理航空燃气涡轮发动机工作原理 第二章第二章 发动机部件工作原理发动机部件工作原理 第三章第三章 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 第四章第四章 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机 第五章第五章 其它类型发动机其它类型发动机 2021年6月4日41 2021年6月4日42