第1次课第1章航空燃气涡轮发动机概述

1、航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机原理与构造原理与构造航空工程系航空工程系张彦星手机号：手机号：1393301736413933017364 qq qq 号：号： 15761486671576148667第一章第一章 航空燃气涡轮发动机概述航空燃气涡轮发动机概述 第一节第一节 航空燃气涡轮发动机简介航空燃气涡轮发动机简介1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展1.燃气涡轮发动机的发展11概论概论 发动机是飞机上的发动机是飞机上的动力装置动力装置。自从人类尝试进行有翼飞行。自从人类尝试进行有

2、翼飞行器飞行以来，经历了无数次失败，只是在使用了器飞行以来，经历了无数次失败，只是在使用了活塞式内燃机活塞式内燃机以后，才在以后，才在2020世纪初把第一架飞机送上蓝天。世纪初把第一架飞机送上蓝天。 二战后二战后, ,由于由于喷气发动机喷气发动机的迅速发展的迅速发展, ,活塞式发动机逐渐被活塞式发动机逐渐被淘汰。淘汰。 20 20世纪世纪6060年代，由于年代，由于涡扇发动机涡扇发动机的问世，大大降低了耗油的问世，大大降低了耗油率，才有可能设计制造成大型喷气飞机，大幅度提高载重量和率，才有可能设计制造成大型喷气飞机，大幅度提高载重量和航程。航程。 燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能，使其飞行

3、速度燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能，使其飞行速度达到达到2 2倍以上的音速。直到现在还被广泛应用于各种类型的飞倍以上的音速。直到现在还被广泛应用于各种类型的飞机上。机上。1.燃气涡轮发动机的发展 从从20世纪世纪40年代末到年代末到21世纪初，与喷气战斗机的发展历世纪初，与喷气战斗机的发展历程类似，喷气发动机的发展也大致经历了四次更新换代。程类似，喷气发动机的发展也大致经历了四次更新换代。第一代航空燃气轮发动机第一代航空燃气轮发动机20世纪40年代末到50年代中1.燃气涡轮发动机的发展第二代航空燃气轮发动机第二代航空燃气轮发动机20世纪50年代中使用到70年代1.燃气涡轮发动机的发展第三

4、代典型发动机第三代典型发动机从从1974年到年到21世纪初期，装有第三代喷气发动机世纪初期，装有第三代喷气发动机的战斗机都是战斗机中的主力的战斗机都是战斗机中的主力。1.燃气涡轮发动机的发展第第四四代典型发动机代典型发动机 第四代战斗机要求发动机的推重比要在第四代战斗机要求发动机的推重比要在10以上，采以上，采用矢量推力喷管，有良好的隐身能力等。用矢量推力喷管，有良好的隐身能力等。1.燃气涡轮发动机的发展16航空发动机是航空器飞行的动力，也是航空事业发展航空发动机是航空器飞行的动力，也是航空事业发展的推动力；的推动力；航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素；航空发动机是飞机性能、可靠性

5、和成本的决定性因素；航空发动机的发展对冶金、机械、电子、仪表等行业航空发动机的发展对冶金、机械、电子、仪表等行业的发展具有重要的带动和促进作用。的发展具有重要的带动和促进作用。2.航空发动机的作用17 3.航空发动机研究工作的特点 技术难度大技术难度大 一台发动机内有一台发动机内有十几个部件十几个部件和系统及和系统及数万个零件。数万个零件。研制一研制一种新的发动机需要种新的发动机需要1 1万小时的整机试验和万小时的整机试验和1010万小时的部件和系统万小时的部件和系统试验。试验。周期长周期长 先进发动机的研制周期为先进发动机的研制周期为9-159-15年年，F119F119从从19861986

6、年开始到年开始到20052005年投入使用，前后达年投入使用，前后达1919年。年。费用高费用高 F119 F119的研制费用超过的研制费用超过2020亿美元亿美元；发动机的研究和发展费用；发动机的研究和发展费用占航空总费用的占航空总费用的1/41/4。18 A A 性能要求性能要求，包括地面台架性能和空中飞行性能（推力和耗，包括地面台架性能和空中飞行性能（推力和耗油率）、起动性能、加减速性能、引气量、功率提取和过载；油率）、起动性能、加减速性能、引气量、功率提取和过载； B B 适用性要求适用性要求，包括发动机在飞行包线内稳定工作和油门杆，包括发动机在飞行包线内稳定工作和油门杆使用不受限制，

7、加力接通、切断不受限制，飞行状态变化、极使用不受限制，加力接通、切断不受限制，飞行状态变化、极限机动状态等时的发动机稳定工作；限机动状态等时的发动机稳定工作； C C 结构和安装要求结构和安装要求，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和重，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和重心位置；心位置； 4.军用发动机设计要求19 D D 可靠性要求可靠性要求 包括发动机寿命和工作循环、发动包括发动机寿命和工作循环、发动机各状态连续工作时间和平均故障时间；机各状态连续工作时间和平均故障时间； E E 维修性要求维修性要求，包括发动机外场可更换件的更换时，包括发动机外场可更换件的更换时间、每飞行小时的平均维修工时和

8、更换发动机时间等；间、每飞行小时的平均维修工时和更换发动机时间等； F F 其他要求其他要求，如满足飞机隐身要求的红外信号和雷如满足飞机隐身要求的红外信号和雷达反射特性以及飞行控制的矢量推力。达反射特性以及飞行控制的矢量推力。4.军用发动机设计要求20 A A 起飞推力和推重比，要满足要求；起飞推力和推重比，要满足要求； B B 巡航耗油率，尽可能低；巡航耗油率，尽可能低； C C 发动机结构和安装，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和发动机结构和安装，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和重心位置；重心位置； D D 可靠性、寿命和维修性，包括空中停车率、航班准点率、可靠性、寿命和维修性，包括空中停车

9、率、航班准点率、计划外返修率、机上寿命和每飞行小时维修工时等；计划外返修率、机上寿命和每飞行小时维修工时等； E E 污染物排放，满足机场当地环保部门的规定；污染物排放，满足机场当地环保部门的规定； F F 噪声，满足国际民航组织（噪声，满足国际民航组织（ICAOICAO）的规定。）的规定。5.民用发动机设计要求21 在过去的一个航空百年里，人类所使用的主要的航空在过去的一个航空百年里，人类所使用的主要的航空发动机，可分为两大类发动机，可分为两大类: :1 1、活塞式发动机、活塞式发动机冷却方式（液冷式、气冷式）。冷却方式（液冷式、气冷式）。气缸排列方式气缸排列方式( (星形、星形、V V形、

10、直列式、对列式、形、直列式、对列式、X X形形) )2 2、空气喷气式发动机、空气喷气式发动机无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。有压气机（涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋有压气机（涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发动机）桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发动机）。第二节第二节 航空发动机分类航空发动机分类第二节第二节 航空发动机分类航空发动机分类（一）火箭发动机特点： 自己携带燃料和氧化剂，靠燃烧压缩工质。分类： 固体燃料、液体燃料、混合燃料（二）空气喷气发动机 空气喷气发动机：利用空气中的氧气与燃料进行混合燃

11、烧，作为工质的动力装置。分类：无压气机的发动机（冲压喷气发动机） 有压气机的发动机（燃气涡轮发动机） 发动机：将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能的装置。 喷气发动机：把燃料的化学能转化为发动机高速喷出燃气的动能，从而获得反作用力，推进飞行器飞行的发动机。1)、无压气机的发动机分类：冲压式发动机、脉冲式发动机。冲压式发动机：在起飞时推力为零，低速时性能不好；适用于靶弹、巡航导弹。脉冲式发动机：通过燃烧室前面的单向活门，空气和燃料间歇地供入燃烧室，主要用于低速靶机和航模飞机。 2)、燃气涡轮发动机 燃气涡轮发动机的四种基本类型： 涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺旋浆发动机 涡轮轴发动机（1）

12、涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机结构（1）涡轮喷气发动机空气/燃气进入 压缩 燃烧 排气（1）涡轮喷气发动机 主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，燃气涡轮，尾喷管燃气涡轮，尾喷管,(,(加力燃烧室加力燃烧室) ) 特点：特点： (1)(1)涡轮只带动压气机压缩空气。涡轮只带动压气机压缩空气。 (2)(2)发动机的全部推力来自高速喷出的燃气发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所产生的反作用力。所产生的反作用力。（1）涡轮喷气发动机 燃气涡轮喷气发动机燃气涡轮喷气发动机 燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内继续膨胀继续膨胀,

13、 加速燃气加速燃气, 提高燃气的速度提高燃气的速度, 使燃气使燃气以较高的速度喷出以较高的速度喷出, 产生推力。产生推力。航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器 与航空活塞发动机相比与航空活塞发动机相比 结构简单结构简单,重量轻重量轻, 推力大推力大, 推进效率高推进效率高在很大的飞行速度范围内在很大的飞行速度范围内, 发动机的推力随飞行速发动机的推力随飞行速度的增加而增加度的增加而增加 （2）涡轮风扇发动机（内外涵发动机） 涵道比：外涵道空气流量/内涵道空气流量高涵道比涡扇发动机低涵道比涡扇发动机 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机 由进气道由进气道, 低

14、压压气机低压压气机,高压压气机高压压气机,燃烧室燃烧室,高高压涡轮压涡轮,低压涡轮低压涡轮,喷管喷管,风扇和外涵道组成风扇和外涵道组成 涡扇发动机推力：涡扇发动机推力：内、外涵道气流反作用力的总和。内、外涵道气流反作用力的总和。优点：优点：燃料使用效率高，噪声小，能获得较大加力比燃料使用效率高，噪声小，能获得较大加力比。（3）涡轮螺旋浆发动机（3）涡轮螺旋浆发动机英国“子爵号”四发旅客机用的“达特”涡轮螺旋桨发动机为定轴式涡轮螺旋桨发动机41 （3）涡轮螺旋浆发动机主要部件：主要部件：螺旋桨、压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾螺旋桨、压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾喷管、减速器。喷管、减速器。特点：特点

15、： 涡轮不仅带动压气机压缩空气，还带动螺浆产涡轮不仅带动压气机压缩空气，还带动螺浆产生拉力。生拉力。发动机推力来自两个部分，一部分是由高速喷出的燃发动机推力来自两个部分，一部分是由高速喷出的燃气所产生的反作用力（气所产生的反作用力（10%10%），一部分涡轮带动螺浆），一部分涡轮带动螺浆产生前进的拉力（产生前进的拉力（90%90%）。）。 涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机 由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还安在它们之间还安排了一个排了一个减速器减速器 涡轮螺旋桨发动机的工作原理涡轮螺旋桨发动机的工作原理 螺旋桨产生拉力螺旋桨产生拉力 气体流过发动机时产生反作

16、用推力气体流过发动机时产生反作用推力在较低的飞行速度下在较低的飞行速度下,具有较高的推进效率具有较高的推进效率, 所以所以它在低亚音速飞行时的经济性较好它在低亚音速飞行时的经济性较好 适用于低空低速的运输机和民航机适用于低空低速的运输机和民航机定轴式：具有大减速臂的减速器（黑色部分）大大增加了发动机的重量自由涡轮式：自由涡轮转速较低，可以采用小减速比的减速器来减轻发动机的重量 涡轮螺旋浆发动机特点： 推力主要靠螺旋浆产生的拉力，燃气中剩下的很少能量在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力（约10）（4）涡轮轴发动机 涡轮轴发动机涡轮轴发动机 主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡主要部件：进气道、压

17、气机、燃烧室、动力涡轮、自由涡轮、轮、自由涡轮、尾喷管。尾喷管。 涡轮轴发动机涡轮轴发动机 燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡轮而燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡轮而不在喷管内膨胀产生推力不在喷管内膨胀产生推力 动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的旋翼动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的旋翼 涡轮轴发动机与涡桨发动机的不同之处 ： 燃气几乎全部在动力涡轮中膨胀，由尾喷管排出时，气流速度较低。（5 5） 桨扇发动机桨扇发动机 螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机和涡螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机和涡桨发动机之间的一种发动机形式。它既可看作带除桨发动机之间的一种发动

18、机形式。它既可看作带除去外涵道的大涵道比涡扇发动机，又可看作高速先去外涵道的大涵道比涡扇发动机，又可看作高速先进螺桨的涡桨发动机，因而兼有前者飞行速度高和进螺桨的涡桨发动机，因而兼有前者飞行速度高和后者耗油率低的优点。目前正处于研究和实验阶段后者耗油率低的优点。目前正处于研究和实验阶段。 （5 5） 桨扇发动机桨扇发动机 桨扇发动机的关键部件是先进桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨高速螺桨，它带有多个宽，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数0.80.8下保持较高下保持较高的效率，见图的效率，见图1 16 6。桨扇桨扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减

19、速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6-8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。 （6）升力）升力/推进发动机（用于垂直推进发动机（用于垂直/短距起落飞机）短距起落飞机） Lift/Propulsion engine (for VTOL/STOL aircraft)（6） 升力升力/推进发动机（用于垂直推进发动机（用于垂直/短距起落飞机）短距起落飞机） Lift/Propulsion engine (for VTOL/STOL aircraft)小 结燃气发生器燃气发生器压气机压气机、燃烧室燃烧室、涡轮涡轮 统称为燃气发生器。

20、统称为燃气发生器。产生高温高压燃气产生高温高压燃气又称为发动机的核心机又称为发动机的核心机核心机核心机它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；对燃气发生器所获得的机械能进行不同的分配（增添对燃气发生器所获得的机械能进行不同的分配（增添不同的部件），就形成不同型式的发动机；不同的部件），就形成不同型式的发动机；涡桨发动机的螺旋桨，涡扇发动机的风扇，涡轴发动涡桨发动机的螺旋桨，涡扇发动机的风扇，涡轴发动机的悬翼的躯动力都来自燃气发生器。机的悬翼的躯动力都来自燃气发生器。 燃气涡轮发动机其他分类（P4）民航方面的情况(p5)第三节第三节 燃气涡轮发动机的主要性

21、能参数燃气涡轮发动机的主要性能参数 对于评判高性能发动机的指标，最常用的有推推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率力、推重比、发动机效率和燃油消耗率，还有加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命，还可以加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。但对于军用航空发动机而言，推重比、可靠性、工作稳定性和燃油消耗率是最重要的4个指标。 第三节第三节 燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机的 主要性能参数主要性能参数1 1、推力、推力：航空发动机的最重要参数。推力大小反映了发动航空发动机的最重要参数。推力大小反映了发动机的做功能力。机的做功能力。单位：单位：中中 国：牛顿（国：牛顿（N

22、 N）或大牛（）或大牛（daNdaN） 1daN=10N;1daN=10N;俄罗斯：千克（）俄罗斯：千克（）美美 欧：磅（欧：磅（PdPd） 1Pd=0.45361Pd=0.45362 2、推重比：、推重比：发动机产生的推力和自身重量的比值；发动机产生的推力和自身重量的比值； 这是航空发动机最重要的性能指标，因为它直接影响到飞机的最大飞行速度、升限、任务载荷和机动性。高推重比是航空发动机研制不懈追求的目标，是最常见、最重要的指标。第三节第三节 燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机的 主要性能参数主要性能参数3、燃油消耗率：燃油消耗率：单位时间内产生单位推力或功率所消耗的燃油质量；减少燃油消耗率对于减轻飞机起飞重量十分重要。4 4、增压比：增压比：压气机出口压力与进口压力之比称为增压比。压气机出口压力与进口压力之比称为增压比。 涡轮喷气发动机的增压比涡轮喷气发动机的增压比, ,通常是指经过压气机压缩以后的通常是指经过压气机压缩以后的空气压力空气压力, ,即压气机后的压力与大气压之比。即压气机后的压力与大气压之比。5 5、涡轮前燃气温度：、涡轮前燃气温度：涡轮进口温度关系到发动机膨胀做功能力，对涡轮材料耐温能力和冷却技术 的直观反映。第三节第三节 燃气涡轮发动机的燃气涡轮发