航空器推进装置

1、航空航天概论第六章 航空器推进装置2参观日期：参观日期：3主要内容6.1 推进装置分类和特点6.2 活塞式发动机6.3 燃气涡轮发动机6.4 冲压/脉动发动机6.5 火箭发动机46.1 推进装置分类和特点为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为动力系统动力系统。它包括发动机和保证发动机正常工作的辅。它包括发动机和保证发动机正常工作的辅助系统。可以简称为发动机。发动机是飞行器的动力助系统。可以简称为发动机。发动机是飞行器的动力源，它的性能对飞行器的性能有极重要的影响。故而源，它的性能对飞行器的性能有极重要的影响。故而被人们称为被人们称为飞行器的心脏飞行

2、器的心脏。航空发动机航空发动机是将航空燃料中所含的是将航空燃料中所含的化学能量转变化学能量转变为热能、再转化成机械能的热力机械为热能、再转化成机械能的热力机械。5v 发动机v 推进剂或燃料系统v 保证发动机正常工作的其他附属系统66.1 推进装置分类和特点航空发动机的性能对飞机的性能影响很大。航空发动机的性能对飞机的性能影响很大。评定航空发动机品质的主要指标有：评定航空发动机品质的主要指标有：性能参数性能参数-推重比、耗油率等推重比、耗油率等可靠性可靠性耐久性耐久性 76.1 推进装置分类和特点参照教材参照教材P142-P14386.1 推进装置分类和特点飞行器推进系统飞行器推进系统吸气式发动

3、机吸气式发动机火箭喷气式发动机火箭喷气式发动机活塞式发动机活塞式发动机燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机冲压喷气式发动机冲压喷气式发动机脉动喷气式发动机脉动喷气式发动机参照教材参照教材P142-P14396.1 推进装置分类和特点飞行器推进系统飞行器推进系统直接反作用推直接反作用推进系统进系统间接反作用推间接反作用推进系统进系统火箭发动机火箭发动机组合发动机组合发动机冲压发动机冲压发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机活塞式发动机活塞式发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机涡轮轴发动机 活塞式航空发动机一般以汽油为燃料，带动螺旋活塞式航空发动机一般以汽油为燃料，带

4、动螺旋桨，桨，由螺旋桨产生推（拉）力为飞机提供动力。由螺旋桨产生推（拉）力为飞机提供动力。 所以，作为飞机的动所以，作为飞机的动力装置时，力装置时，发动机发动机与与螺旋螺旋桨桨是不能分割的。是不能分割的。6.2 活塞式发动机活塞式航空发动机的主要构件活塞式航空发动机的主要构件气缸气缸活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴进、排气活门进、排气活门6.2 活塞式发动机活塞式航空发动机的工作原理活塞式航空发动机的工作原理 绝大多数活塞式航空发动机的工作循环是由四个冲程组成的，称为四冲程发动机。即活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。进气进气 压缩压缩 膨胀膨胀 排气排气6.2

5、活塞式发动机活塞冲程活塞冲程 当活塞在气缸中移动时，它相对曲轴有两个极限位置：活塞离曲轴中心最远的位置称为上死点，活塞离曲轴中心最近的位置称为下死点。上死点和下死点之间的距离称为活塞冲程 。6.2 活塞式发动机活塞式航空发动机的工作原理活塞式航空发动机的工作原理6.2 活塞式发动机进气冲程压缩冲程燃烧冲程排气冲程活塞式航空发动机的工作原理示意图活塞式航空发动机的工作原理示意图6.2 活塞式发动机活塞式发动机的气缸排列方式活塞式发动机的气缸排列方式 为满足功率要求并使发动机工作平稳，活塞式航空发动机一般都是多气缸组合构成的。依照气缸排列方式不同，可分为：直立型、V型、对立型、X型、星型等。NoI

6、mageNoImage6.2 活塞式发动机活塞式发动机的气缸排列方式活塞式发动机的气缸排列方式V型和对立型6.2 活塞式发动机活塞式发动机的辅助系统活塞式发动机的辅助系统v 进气系统v 燃料系统v 点火系统v 冷却系统v 启动系统v 定时系统6.2 活塞式发动机航空活塞式发动机主要性能参数航空活塞式发动机主要性能参数 发动机功率发动机功率 发动机可用于驱动螺旋桨的功率称为有效功率。发动机可用于驱动螺旋桨的功率称为有效功率。 燃料消耗率燃料消耗率 衡量发动机经济性的一项指标，以每千瓦功率在衡量发动机经济性的一项指标，以每千瓦功率在1 1小时所消耗的燃料质量表示，单位为小时所消耗的燃料质量表示，单

7、位为kg/(kWkg/(kWh)h) 加速性加速性 发动机从最小转速到最大转速所需的时间，愈短发动机从最小转速到最大转速所需的时间，愈短愈好。良好的加速性可提高飞机机动性能。愈好。良好的加速性可提高飞机机动性能。 良好良好的维护性、高可靠性、长寿命、小的结构质的维护性、高可靠性、长寿命、小的结构质量和迎风面积。量和迎风面积。6.2 活塞式发动机航空活塞式发动机主要性能参数航空活塞式发动机主要性能参数 从第一架飞机上天到二战结束，活塞式发动机获得了飞速发展：v 单机功率：十几千瓦提高到18003500千瓦v 功率重量比由0.12千瓦/千克提高到1.85千瓦/千克v 燃油消耗率由0.46千克/千瓦

8、时降至0.26千克/千瓦时6.2 活塞式发动机活塞式发动机的优点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目前，活塞式航空发动机仍广泛地应用于小型低速飞机。用于小型低速飞机。6.2 活塞式发动机小鹰小鹰-500旅行者旅行者活塞式发动机的应用活塞式发动机的应用6.2 活塞式发动机活塞式发动机的缺点活塞式发动机的缺点 发动机功率小；发动机功率小； 重量大；重量大； 外形阻力大；外形阻力大； 螺旋桨高速旋转时效率低。螺旋桨高速旋转时效率低。6.2 活塞式发动机 航空燃气涡轮发动机有四种基本

9、类型，即涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。在这些发动机中都有压气机、燃烧室和燃气涡轮，因此统称为燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机。246.3 燃气涡轮发动机 航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种，因此从产生输出能量的原理上讲，燃气涡轮发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段。256.3 燃气涡轮发动机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，再进入燃气涡轮中膨胀作功，使涡轮高速旋转并输出功率。266.3 燃气涡轮发动机276.3 燃气涡轮发动机6.3 燃气涡轮发动机涡轮喷

10、气发动机的性能参数涡轮喷气发动机的性能参数v 推力 v 单位推力v 推重比v 单位耗油率v 单位迎风面积推力v 噪声和排气污染296.3 燃气涡轮发动机燃气发生器燃气发生器由由压气机压气机、燃烧室燃烧室和和燃气燃气涡轮涡轮组成。组成。燃气发生器用于提供燃气发生器用于提供高压、高压、高温高温的燃气。的燃气。燃气发生器又称发动机的燃气发生器又称发动机的核心机核心机。燃气涡轮燃气涡轮燃烧室燃烧室压气机压气机6.3 燃气涡轮发动机 压气机的功用压气机的功用 依靠依靠其高速旋转的工作叶轮对空气作功，提高空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气的压力和温度，供

11、给发动机工作时所需要的压缩空气。空气。 6.3 燃气涡轮发动机 燃烧室的功用燃烧室的功用 将燃料中所含的化学能转化为热能，燃料在燃烧过程中所释放的热量使流过燃烧室的空气的温度提高。即在燃烧室中，从压气机流入的压缩空气与喷嘴喷出的燃油混合燃烧，使燃气膨胀加速，向涡轮提供具有一定温度场的燃气流。 6.3 燃气涡轮发动机燃烧室工作原理燃烧室工作原理6.3 燃气涡轮发动机 燃气涡轮的功用燃气涡轮的功用 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。6.3 燃气涡轮发动机进气道进气道进气道的主要作用：v 整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证在各种工

12、作状态下都能供给发动机所需的空气量；v 降低高速气流的速度，将动能转变为压力势能。根据飞机的飞行速度的不同，进气道可分为：v亚音速进气道v超音速进气道6.3 燃气涡轮发动机歼-5亚音速进气道亚音速进气道米格-156.3 燃气涡轮发动机超音速进气道F-16歼-76.3 燃气涡轮发动机发动机进气道在机身上的位置发动机进气道在机身上的位置 机头进气机头进气 背部进气背部进气 机身两侧机翼下机身两侧机翼下 腹部进气腹部进气 6.3 燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机根据燃气发生器后面有无“动力涡轮”以及动力涡轮所驱动的部件不同，分为四种类型。 所谓动力涡轮是指位于燃气发生器后面的一个传动其他部件的涡轮，从燃

13、气发生器出来的燃气流入这个涡轮中继续膨胀作功。在大多数发动机中，动力涡轮与燃气涡轮没有机械连系，各自工作于不同的转速，所以动力涡轮也称为自由涡轮。6.3 燃气涡轮发动机6.3 燃气涡轮发动机 涡轮喷气发动机的燃气发生器后面直接布置了一个，燃气以高速由喷管排出，产生推力。6.3 燃气涡轮发动机6.3.1 涡轮喷气发动机 由于涡轮喷气发动机的推力是由高速排出高温燃气所获得的，所以在得到推力的同时有不少由燃料燃烧所产生的能量以燃气的动能和热能的形式排出发动机，能量损失较大，因此其耗油率较高。 6.3 燃气涡轮发动机6.3.1 涡轮喷气发动机 为了短期内提高涡轮喷气发动机的推力，可在尾喷管前加装加力燃

14、烧室。在需要增加推力时，向燃气中补充喷入燃油进一步燃烧，提高燃气的速度，达到增加推力的目的。在加力时，由于排出的燃气温度和速度均大大提高，因而能量损失更大，所以耗油率比非加力时将成倍增加。 6.3 燃气涡轮发动机6.3.1 涡轮喷气发动机Su-25涡喷发动机涡喷发动机的应用的应用6.3 燃气涡轮发动机6.3.1 涡轮喷气发动机 涡轮螺旋桨发动机的燃气能量绝大部分在动力涡轮中膨胀做功，动力涡轮通过减速装置降低转速后再驱动螺旋桨，燃气中剩下的很少部分能量在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力 。6.3 燃气涡轮发动机6.3.2 涡轮螺旋桨发动机6.3 燃气涡轮发动机6.3.2 涡轮螺旋桨发动机 涡轮螺旋

15、桨发动机由于有直径较大的螺旋桨，所以飞行速度受到限制，一般用于M=0.50.7的飞机上。运运7运运8动力涡轮通过减速器带动螺旋桨。起飞功率大，油耗低，续航能力强，多用于低亚音速运输机，轰炸机，目前短程客机也主要采用这种发动机。6.3 燃气涡轮发动机6.3.2 涡轮螺旋桨发动机 涡轮轴发动机是直升机的主要动力，其工作原理和结构基本与涡轮螺旋桨发动机相同。不同的是其燃气发生器排出的燃气能量几乎全部在动力涡轮中膨胀，由喷管排出时，气流速度很低；另外，其输出轴转速较高，有的涡轮轴发动机由动力涡轮直接输出轴功率，有的则装有减速较小的减速器。 6.3 燃气涡轮发动机6.3.3 涡轮轴发动机直直11米米28

16、AH646.3 燃气涡轮发动机6.3.3 涡轮轴发动机 涡轮风扇发动机的动力涡轮的传动轴驱动的是外径比燃气发生器大的1级或几级称为风扇的叶片。流入发动机的空气在风扇中增压后，一部分经燃气发生器中流过，称为内涵气流；另一部分经围绕燃气发生器外壳的外环中流过，称为外涵气流。6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机推力由内、外涵道气流分别产生的推力组成。外涵与内涵空气流量的比值称为涵道比。6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机具有耗油率低、起飞推力大、推重比高、噪音低的优点。因此，目前高函道比、大推力的

17、涡轮风扇发动机广泛应用于大型运输机上。 Boeing 737A3196.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机 此外，加力式涡轮风扇发动机由于具有低速时油耗较低，开加力时推重比大的特点，适合于高超音速的战斗机、轰炸机。6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机F22（猛禽）（猛禽）FC1（超（超7）FBC1（飞豹）（飞豹）6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机可转喷口的涡轮风扇发动机通常用于垂直起降飞机，由于其喷口可转向垂直于地面的方向提供沿垂直方向的推力，同时还需利用机头、机尾、翼尖的喷口来进行姿态控制。例如英国的鹞式、俄罗斯的雅克-38、雅克-141、美国的AV-8b

18、和竞标JSF成功的XF-35都采用了这类发动机。 6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机垂直起降飞机垂直起降飞机6.3 燃气涡轮发动机6.3.4 涡轮风扇发动机 机身内后部机身内后部 机翼根部机翼根部 机翼下（多用于旅客机）机翼下（多用于旅客机） 机身后部平尾根部机身后部平尾根部 6.3.4 涡轮喷气发动机简单、体积小，可以自己启动，推力忽大忽小，不宜载人，燃油消耗量大。工作时，将活门打开，空气进入燃烧室与燃料混合燃烧。靠燃气的压力将活门关闭，以防止燃气倒流。燃气高速从长喷管喷出，产生推力。燃气喷出后，燃烧室空气稀薄，压力小于外界大气压，由于压差作用，自动打开活门，空气再进入燃烧室，

19、循环工作。6.4 冲压/脉动发动机空气先经进气道扩压后，速度下降、压力提高，压缩后的空气与喷油咀喷出的燃油混合，在燃烧室内进行等压燃烧，高温高压燃气从喷管高速喷出，产生推力。只有飞行速度很大时才能有效地产生推力；地面放置时，速度为0，不能产生推力；推重比大；简单。6.4 冲压/脉动发动机2004年3月27日，M=7 火箭发动机是航天器的发展基础！火箭发动机是航天器的发展基础！646.5 火箭发动机656.5 火箭发动机福布斯福布斯- -土壤火星探测器土壤火星探测器 火箭发动机是我国劳动人民首先创造出来的。早在唐代初年火箭发动机是我国劳动人民首先创造出来的。早在唐代初年( (约在七世纪）火药就出

20、现了，南宋时代火药用来制造烟火，其约在七世纪）火药就出现了，南宋时代火药用来制造烟火，其中包括中包括“起花起花”。大约在十三世纪制成火箭。我国古代制造的火。大约在十三世纪制成火箭。我国古代制造的火箭和起花所用的是黑色火药。它们的工作原理和现代的固体燃料箭和起花所用的是黑色火药。它们的工作原理和现代的固体燃料火箭是一样的。火箭是一样的。 火箭发动机的特点是不仅自带燃烧剂而且自带氧化剂。燃烧火箭发动机的特点是不仅自带燃烧剂而且自带氧化剂。燃烧剂和氧化剂统称为推进剂。由于火箭发动机的工作不依靠空气，剂和氧化剂统称为推进剂。由于火箭发动机的工作不依靠空气，因此它是大气层以外飞行和宇宙航行的主要动力装置

21、。因此它是大气层以外飞行和宇宙航行的主要动力装置。666.5 火箭发动机火箭发动机的基本参数火箭发动机的基本参数6.5 火箭发动机推力：火箭发动机的推力是作用在发动机内外表面各种力的合力 。冲量：发动机的冲量决定于推力的大小和工作时间的长短。定义为推力对工作时间的积分。比冲：比冲是指火箭发动机燃烧一千克质量推进剂所产生的冲量 。火箭发动机的类型火箭发动机的类型6.5 火箭发动机 按推进剂组元的数目，可分为单组元、双组元和三组元液体火箭发动机。 双组元液体火箭发动机的推进剂包括燃烧剂和氧化剂；工作时，专门的输送系统分别将它们送进燃烧室。所以液体火箭发动机包括推进剂输送系统、流量调节控制活门、推力

22、室、冷却系统和固定零部件的发动机架。6.5 火箭发动机液体火箭发动机的特点液体火箭发动机的特点 发动机控制系统可对发动机的工作程序（发动机起动、工作、关机）和工作参数（指推力大小、推进剂的混合比）进行调节和控制。这一过程是按预定程序自动进行的。液体火箭发动机的优点是比冲高，推力范围大（单台推力在1克力700吨力）、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。液体火箭发动机主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。6.5 火箭发动机 固体火箭发动机的主要特征之一是固体火箭发动机的主要特征之一是推进剂推进剂直接直接充填在燃烧室内；推进剂燃烧产生能量，同时燃烧充填在燃烧室内；推进剂燃烧产生能量，同时燃烧产物又作为工质经喷管排出产生推力。产物又作为工质经喷管排出产生推力。6.5 火箭发动机6.5 火箭发动机固体火箭发动机的特点：固体火箭发动机的特点： 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载人飞行。 固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。6.5 火箭发动机 电火箭发动机是利用电能加速工质，形成高速射流而产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同，这种发动机的能源和工质是分开的。