第一章航空动力装置的基础知识

1、航空活塞动力装置 绪 论 重重75kg，功率，功率12hP 。 活塞式发动机活塞式发动机+ +螺旋桨的组合成为飞机固定的推进模式。螺旋桨的组合成为飞机固定的推进模式。 飞机性能迅猛发展，速度达到飞机性能迅猛发展，速度达到700700800km/h800km/h，高度达到，高度达到 10000m10000m以上。以上。 诸多原因决定了活塞式发动机诸多原因决定了活塞式发动机+ +螺旋桨的推进模式的终结。螺旋桨的推进模式的终结。 由于造价低、易于维修等优点仍用于一些初级教练机和由于造价低、易于维修等优点仍用于一些初级教练机和 小型运输机上，多为气冷式小功率活塞式发动机。小型运输机上，多为气冷式小功率

2、活塞式发动机。 航空活塞式发动机发展史航空活塞式发动机发展史 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 一、热机和航空发动机 发动机是一种将某种能量转换成机械功的动力装置。发动机是一种将某种能量转换成机械功的动力装置。 根据能量来源不同可分为：热力发动机、水力发动根据能量来源不同可分为：热力发动机、水力发动 机、电力发动机、原子能发动机等。机、电力发动机、原子能发动机等。 绪 论 热机的工作由两大步骤组成热机的工作由两大步骤组成： 首先必须首先必须使燃料燃烧释放出热能；再将释放出的使燃料燃烧释放出热能；再将释放出的 热能转换成机械功。热能转换成机械功。 根据热机燃料燃烧方式，分为：外燃机和内燃机。根据热

3、机燃料燃烧方式，分为：外燃机和内燃机。 绪 论 航空发动机分为两大类：航空活塞发动机和航空航空发动机分为两大类：航空活塞发动机和航空 喷气发动机。如下图活塞发动机：喷气发动机。如下图活塞发动机： 绪 论 优点：优点：低速经济性好，工作稳定性好；低速经济性好，工作稳定性好； 缺点：缺点：重量功率比大，高空性能、速度性能差；重量功率比大，高空性能、速度性能差； 用途：用途：轻型低速飞机和初教机。轻型低速飞机和初教机。 绪 论 航空喷气发动机航空喷气发动机 优点：优点：重量轻、推力大，高空性能好、速度性能好；重量轻、推力大，高空性能好、速度性能好； 缺点：缺点：经济性较差。经济性较差。 用途：用途：

4、运输机、战斗机。运输机、战斗机。 绪 论 二、对航空发动机的要求 性能参数性能参数 可靠性可靠性 维修性维修性 总寿命总寿命 一般衡量发动机品质的主要指标有：一般衡量发动机品质的主要指标有： 绪 论 1 1、性能参数、性能参数 推重比：推重比：发动机的推力与自身重量的比值发动机的推力与自身重量的比值 重功比：重功比：发动机的重量与发动机产生的功率的比值发动机的重量与发动机产生的功率的比值 燃油消耗率：燃油消耗率：发动机在单位时间产生单位推力（功率）发动机在单位时间产生单位推力（功率） 的燃油量的燃油量。 意义意义：表示发动机经济性的好坏，直接影响飞机的有表示发动机经济性的好坏，直接影响飞机的有

5、 效载重，航程和续航时间效载重，航程和续航时间 绪 论 发动机的加速性：发动机的加速性： 发动机转速上升的快慢程度发动机转速上升的快慢程度 影响飞机的起飞越障能力和复飞性能影响飞机的起飞越障能力和复飞性能 活塞发动机的加速性好于喷气发动机活塞发动机的加速性好于喷气发动机 1 1、性能参数、性能参数 发动机高空性：发动机高空性： 指发动机性能随飞行高度增加的下降程度指发动机性能随飞行高度增加的下降程度 高空性主要限制飞机的实用升限高空性主要限制飞机的实用升限 喷气发动机的高空性好于活塞发动机喷气发动机的高空性好于活塞发动机 绪 论 2 2、发动机的可靠性、发动机的可靠性 指发动机在各种工作条件和

6、外界环境下，指发动机在各种工作条件和外界环境下， 在规定的寿命期内完成规定性能的能力。在规定的寿命期内完成规定性能的能力。 衡量发动机可靠性的指标衡量发动机可靠性的指标 空中停车率空中停车率 发动机在每飞行发动机在每飞行10001000小时因发动机本身故障小时因发动机本身故障 引起的空中停车次数，单位：次引起的空中停车次数，单位：次/1000/1000飞行小飞行小 时。时。 提前换发率（非计划换发率）提前换发率（非计划换发率） 单位：次单位：次/1000/1000飞行小时飞行小时 绪 论 3 3、发动机的维修性、发动机的维修性 指在规定条件下（包括维修等级、燃指在规定条件下（包括维修等级、燃

7、油技术水平与资源等），在规定时间内，按油技术水平与资源等），在规定时间内，按 规定程序进行维修时，保持或恢复发动机性规定程序进行维修时，保持或恢复发动机性 能的能力。能的能力。 提高发动机的维修性：提高发动机的维修性： 可以确保飞行安全和飞行任务的完成可以确保飞行安全和飞行任务的完成 可以节省大量的人力、物力、财力可以节省大量的人力、物力、财力 绪 论 3 3、发动机的维修性、发动机的维修性 衡量发动机维修性的指标：衡量发动机维修性的指标： 每飞行小时直接维修工时；每飞行小时直接维修工时； 更换发动机时间；更换发动机时间； 外场可更换组件的更换时间外场可更换组件的更换时间 绪 论 4 4、发动

8、机的寿命、发动机的寿命 早期：早期： 翻修寿命和总寿命翻修寿命和总寿命 现在：现在： 部件（关键件）寿命、视情维护部件（关键件）寿命、视情维护 衡量寿命的指标：衡量寿命的指标： 发动机工作时间（小时）发动机工作时间（小时） 或发动机循环次数或发动机循环次数 第一章 航空动力装置的基础知识 航空动力装置的基础知识航空动力装置的基础知识 1 航空活塞式动力装置的工作系统航空活塞式动力装置的工作系统 4 航空活塞发动机的组成与工作航空活塞发动机的组成与工作2 航空活塞发动机的性能航空活塞发动机的性能3 第一节 气体、气流的基础知识 1 1、工质、工质 航空发动机是一种热力发动机，热机工作时，航空发动

9、机是一种热力发动机，热机工作时， 必须以某种物质为媒介，才能将热能转换成机械必须以某种物质为媒介，才能将热能转换成机械 能，完成这种能量转换的媒介物叫工质。能，完成这种能量转换的媒介物叫工质。 一、气体的基础知识一、气体的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 2 2、理想气体、理想气体 分子本身只有质量而不占体积；分子本身只有质量而不占体积； 分子间不存在吸引力分子间不存在吸引力。 3 3、气体的状态参数、气体的状态参数 描述气体状态的物理量：比容、压力、和温描述气体状态的物理量：比容、压力、和温 度度 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的

10、基础知识 气气温温：描述气体的冷热程度，是分子热运动平均移动描述气体的冷热程度，是分子热运动平均移动 功能的度量。功能的度量。当当向气体加热时，气体分子热运动加剧，分向气体加热时，气体分子热运动加剧，分 子平均移动动能增加，反映出来就是温度上升。子平均移动动能增加，反映出来就是温度上升。 温度温度的分度方法叫温标。常用的分度方法叫温标。常用温标有：摄氏温度温标有：摄氏温度 （），华氏温度（），华氏温度（），热力学温度（），热力学温度（K K）。）。 T=t+273T=t+273 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 压力的测量压力的测量

11、 绝对压力绝对压力P P 表压力表压力PgPg 大气压力大气压力PoPo P=P=Pg+PoPg+Po PvPv=Po-P=Po-P 发动机的滑油压力、燃油压力等液体压力测量都是发动机的滑油压力、燃油压力等液体压力测量都是 表压；在热力学计算表压；在热力学计算中中，都必须使用绝对压力。，都必须使用绝对压力。 第一章 航空动力装置的基础知识 PVPV图图: :图中任意一点都能表图中任意一点都能表T T气体的一个气体的一个状态，曲线表状态，曲线表 示示气体状态变化过程。气体状态变化过程。 第一章 航空动力装置的基础知识 5.5.气体的热力过程气体的热力过程 等容过程等容过程:V:V不变不变( (燃

12、烧过程燃烧过程) ) (4-8 (4-8线线) ) 等压过程等压过程:P:P不变不变( (燃烧过程燃烧过程) ) (1-5 (1-5线线) ) 等温过程等温过程:T:T不变不变(2-6(2-6线线) ) 绝热过程绝热过程: :气体与外界气体与外界无热无热 交换。交换。(3-7(3-7线线) ) 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 二二、气体的基础知识、气体的基础知识 1.1.稳定流动与流体的稳定流动与流体的连续性连续性 稳定流动：指稳定流动：指流体在空间各流体在空间各 点的流动的参数不随时间的变点的流动的参数不随时间的变 化而变化的流动，也叫定常流化而变化的流动，也

13、叫定常流 动动。 发动机发动机稳定工作时气体的流稳定工作时气体的流 动接近于稳定流动。动接近于稳定流动。 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 2 2、音速和马赫数、音速和马赫数 音速是弱扰动波在介质中的传播速度。音速是弱扰动波在介质中的传播速度。 音速描述了介质的压缩性：音速描述了介质的压缩性：a a越大，说明介质受压后，越大，说明介质受压后， 其密度变化小，介质不易压缩；其密度变化小，介质不易压缩；a a越小，越小，说明介质受压后说明介质受压后， 其其密度密度变化大，介质易变化大，介质易压缩；压缩； 第一章 航空动力装置的基础知识 对气体介质，经推导：对气体介质，

14、经推导： kk气体绝热系数气体绝热系数 RR气体常数气体常数 TT气体绝对温度气体绝对温度 当标准大气，温度为当标准大气，温度为288K288K时，音速为时，音速为340m/s340m/s，1224km/h1224km/h； 当在当在1100011000高空时，大气温度降为高空时，大气温度降为216.5K,216.5K,音速值减少为音速值减少为 295m/s295m/s，1062km/h1062km/h。 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 物理意义物理意义：描述描述了气流所具有的总能量大小。绝能流动了气流所具有的总能量大小。绝能流动

15、 时总温不变。时总温不变。 总压总压：气体气体绝能、无摩擦地阻滞到速度为零时气体的压绝能、无摩擦地阻滞到速度为零时气体的压 力。用力。用P *表示。表示。 不可不可压流的总压等于静压与动压之和压流的总压等于静压与动压之和。 物理意义物理意义：描述描述了气流所具有的总机械能大小及气体做了气流所具有的总机械能大小及气体做 功的能力。绝能、无摩擦流动时总压不变功的能力。绝能、无摩擦流动时总压不变。 气流气流M=1时的状态叫临界状态。此状态下，总压与静压时的状态叫临界状态。此状态下，总压与静压 之比成为气体的临界压力比。之比成为气体的临界压力比。 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的

16、基础知识 M1M1 M1，收敛形管道，截面积，收敛形管道，截面积A A ，流速，流速C C ，T, P; T, P; 扩散形管道，截面积扩散形管道，截面积A A ，流速，流速C C ，T, P; T, P; 单纯的收敛形管不可能将亚音速气流加速到超音速或单单纯的收敛形管不可能将亚音速气流加速到超音速或单 纯的扩张形通道不通过激波将超音速气流减速到亚音速气流。纯的扩张形通道不通过激波将超音速气流减速到亚音速气流。 实现上述功能可以利用收敛一扩散性管道实现上述功能可以利用收敛一扩散性管道( (拉瓦尔管拉瓦尔管) )，喉部，喉部 为音速为音速 第一章 航空动力装置的基础知识 一一、燃烧燃烧反应反应

17、1.1.燃烧的实质燃烧的实质: :物质产生发光、发热剧烈的化学反应。物质产生发光、发热剧烈的化学反应。 完全完全燃烧燃烧: :燃烧产物中无可燃物质。燃烧产物中无可燃物质。 2.2.余气系数和油气比余气系数和油气比 要要使发动机中混合气中燃料完全燃烧，混合气中油和气的比使发动机中混合气中燃料完全燃烧，混合气中油和气的比 例必须适当，描述混合气中油和空气成分的参数有余气系数和油例必须适当，描述混合气中油和空气成分的参数有余气系数和油 气比。气比。 第二节 燃烧的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 油气油气比可直接反应混合气中燃料和空气的比比可直接反应混合气中燃

18、料和空气的比 例，但不能直观反应混合气贫、富油程度。例，但不能直观反应混合气贫、富油程度。 (3)(3)油气比：混合气中燃料的质量与空气质量的比值。油气比：混合气中燃料的质量与空气质量的比值。 油气比用油气比用C C表示，即：表示，即： 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 4 4. . 混合气的放热量混合气的放热量 单位重量的混合气的单位重量的混合气的 放热量。放热量。 a1 a1 a1，多余的空气吸热，多余的空气吸热， 放热放热量量。 a=0.97a=0.97，放热量最大。，放热量最大。 第一章 航空动力装置的基础知识 二二、火焰的传播、火焰的传播 1.1.混合气

19、的着火混合气的着火 (1)(1)混合气的着火混合气的着火: :混合气温度达到一定数值时，开始出现火焰而混合气温度达到一定数值时，开始出现火焰而 燃烧起来的现象。燃烧起来的现象。 (2)(2)着火温度着火温度: :混合气着火所需的最低温度。混合气着火所需的最低温度。 (3)(3)着火方法着火方法: :点燃点燃( (航空发动机航空发动机) )、压燃、压燃( (柴油发动机柴油发动机) ) 2. 2. 混合气混合气中火焰的传播中火焰的传播 (1)(1)静止混合气中火焰的传播静止混合气中火焰的传播 火焰前锋火焰前锋: :己燃混合气和新鲜混合气之间的一层向前推进的正在起己燃混合气和新鲜混合气之间的一层向前

20、推进的正在起 剧烈化学反应的发光、发热的气体薄层。是己燃区和未然区的分界剧烈化学反应的发光、发热的气体薄层。是己燃区和未然区的分界 面。面。 火焰传播速度火焰传播速度VpVp: :火焰前锋相对于新鲜混合气向前推进的速度。火焰前锋相对于新鲜混合气向前推进的速度。 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 (2)(2)流动混合气中火焰的传播流动混合气中火焰的传播 层流混合气层流混合气: :火焰前锋不动，火焰前锋不动，VpVp= =混合气流动混合气流动速度速度 第一章 航空动力装置的基础知识 紊流紊流混合气混合气: :增大接触面积增大接触面积热传递和活性中心扩散热传递和活性中心

21、扩散新新 鲜混合气温度能迅速达到着火温度鲜混合气温度能迅速达到着火温度VpVp。紊流混合气。紊流混合气VpVp 层流层流 混合气混合气VpVp. . 第一章 航空动力装置的基础知识 3.3.影响火焰传播速度的因素影响火焰传播速度的因素 (1)(1)混合气性质：热值越大，燃料与氧化剂进行化学反应混合气性质：热值越大，燃料与氧化剂进行化学反应 所需的活化能越小，混合气导热性越好所需的活化能越小，混合气导热性越好混合气达到着火温混合气达到着火温 度时间越短度时间越短VpVp越大。越大。 (2)(2)混合气的余气系数混合气的余气系数 a=0.9a=0.9，VpVp最大；最大；a=1.6a=1.6，贫油

22、极限，贫油极限，a=0.3a=0.3，富油极限。，富油极限。 a a稍小于稍小于1 1，放热量最大，放热量最大热传递和活性中心扩散最强热传递和活性中心扩散最强VpVp 最大。最大。 a a过大或过小，放热量小，不能点燃新鲜混合气过大或过小，放热量小，不能点燃新鲜混合气燃烧中燃烧中 断。断。 第一章 航空动力装置的基础知识 第一章 航空动力装置的基础知识 (3)(3)混合气的初温、初压混合气的初温、初压 初温初温混合气达到着火温度时间混合气达到着火温度时间燃烧后气体的温度燃烧后气体的温度 活性中心浓度活性中心浓度，扩散，扩散初温初温 VpVp 初压初压: :静止混合气，初压对静止混合气，初压对V

23、pVp基本无影响。紊流混合气，初压基本无影响。紊流混合气，初压 VpVp。 (4)(4)气流的紊流强度气流的紊流强度 气流紊流强度气流紊流强度 VpVp (5)(5)点火能量点火能量 点火能量点火能量混合气达到着火温度的时间混合气达到着火温度的时间 VpVp 对对航空航空 发动机来说，余气系数和紊流是主要的影响因素。发动机来说，余气系数和紊流是主要的影响因素。 第一章 航空动力装置的基础知识 第三节 奥托循环及热力学第二定律 1.1.奥托循环（等容加热循环）奥托循环（等容加热循环） 1.1.奥托循环奥托循环PVPV图图: : 1 1一一2:2:绝热压缩绝热压缩 2 2一一3:3:等容加热等容加热 3 3一一4:4:绝热膨胀绝热膨胀 4 4一一1:1:等容放热等容放热 第一章 航空动力装置的基础知识 2.2.奥托循环热效率奥托循环热效率: : 定义定义: :一次循环中一次循环中，1 1公斤公斤工质气体对发动机所作的功与工质气体对发动机所作的功与 燃料加给它热量的比值燃料加给它热量的比值。公式：。公式： 第一章 航空动力装置的基础知识 第一