航空燃气发动机概述电子教案

1、项目 （任务）模块一 航空燃气发动机概述授课班级授课教师地 点课时/累计审批/日期张宏超4授课周次课程类型理论教学方法理实一体教学目标知 识 目 标能力（技能）目标1.掌握航空发动机的发展史；2.掌握航空发动机的分类方法；3.掌握航空发动机的组成；4.掌握航空发动机的工作原理。1.能识别不同类型的航空发动机； 2.能识别航空发动机的主要部件；3.讲述不同航空发动机的工作原理。重难点及解决方法1.识别不同类型的航空发动机；2.讲述不同航空发动机的工作原理。解决方法：理论联系实际，用实物讲解；用动画演示工作原理。能力训练任务及案例用影片引导方法讲解说明一战、二战航空发动机的突飞猛进发展。教学回顾1

2、.1 航空燃气发动机概述1.1.1航空燃气发动机定义及发展1.航空燃气发动机定义为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为推进系统，也称为动力装置。它由发动机、推进剂或燃料系统，以及保证发动机正常有效工作所需要的导管、附件、仪表和固定在飞行器上的装置等组成。推进系统的核心部件是发动机，为了方便，可简称为发动机。2.航空燃气发动机的发展1903年12月17日，莱特兄弟在总结前人经验教训的基础上，完成了公认的世界上第一次有动力飞行。航空发动机诞生一百多年来，主要经历了两个阶段。前40年(19031945年)，为活塞式发动机统治时期。后70年(19452011年)，为喷气式发动机时代。1.1.2航空

3、燃气发动机的设计要求现代的大中型飞机和高速飞机都使用了喷气式发动机；但是由于经济性好，易于维护，活塞式发动机现在仍然在大量使用，主要应用在各类小型、低速飞机上。无论采用哪种形式，当作为航空发动机时，其基本要求有如下几点。1.功率重量比大设计飞机的任何部件，都应在满足使用要求的前提下，尽量减轻其重量。对发动机来说，就是要保证足够大的功率而自身重量又很轻。衡量发动机功率大、重量轻的标准是“功率重量比”。即发动机所发出的功率与发动机重量之比值。“功率重量比”越大，表示在相同功率的情况下，发动机越轻。2.燃油消耗量小发动机是否省油，是飞机使用的重要经济指标。评定发动机的经济性，常用“燃油消耗率”作标准

4、。“燃油消耗率”是指单位功率在一小时内所消耗的燃油重量。燃油消耗率越小，说明发动机越省油。3.迎风面积小航空发动机在保证功率不减小的前提下，应力求减小“迎风面积”，以减小空气阻力。4.工作安全可靠、寿命长要维持安全飞行，发动机就必须始终处于可靠状态，所以发动机的可靠性是十分重要的。为了保证发动机工作安全可靠，必须精心设计，选用合适材料，严格工艺规程。5.维护、修理方便维护、修理统称为维修。这是保证发动机可靠性的重要工作。发动机能否随时处于可靠状态，很大程度取决于“维修”质量。维修的好坏，影响发动机的寿命。维护的目的之一，是发现故障和排除故障，并对必要的部位进行检测、清洗、更换润滑油等。根据发动

5、机工作的长短，维护工作一般都按不同的项目定期进行。“修理”则是在零部件损坏的情况下才进行的。由于“维修”工作量很大，所以占飞机使用成本的很大比例。这就有必要在设计时考虑便于拆装、检查和维修的方便性，以减小维修工作量，降低维修成本。1.1.3航空发动机的基本类型1.航空发动机分类方法航空推进系统按其组成和工作原理可分为两大类：一类是直接反作用推进系统，另一类是间接反作用推进系统，如图1-10所示。图1-10 航空推进系统分类2.燃气涡轮发动机的基本类型1）涡轮喷气发动机在单个流道内，涡轮出口燃气直接在喷管中膨胀，使燃气可用能量转变为高速喷气的动能而产生反作用力，推动飞机前进。涡轮喷气发动机按压气

6、机形式分为离心式和轴流式，按转子数目分为单转子和双转子。单转子轴流式涡轮喷气发动机的结构参见图1-11。2）涡轮风扇发动机燃气发生器出口的燃气在低压涡轮中进一步膨胀做功，用于带动外涵道风扇，使外涵道气流的喷射速度增大，剩下的可用能量继续在喷管中转变为高速排气的动能，其结构见图1-12。内、外两股气流可分别排出，也可混合后一起排出。在燃气发生器相同的情况下，涡轮风扇发动机的空气流量大，排气速度低，所以推进效率高，耗油率低，噪声低。不加力的涡轮风扇发动机是高亚声速旅客机和运输机的理想动力；带加力的涡轮风扇发动机则适用于超声速军用飞机。涡轮风扇发动机有多达3个转子的。目前正在研究一种超声速通流涡扇发

7、动机，其压缩系统为超声速通流级，即进口和出口轴向气流速度均为超声速的级。这种超声速通流级的风扇或压气机的级压比可达2.53.5。超声速通流涡扇发动机可使涡扇发动机的适用飞行马赫数提高到5。3）涡轮螺旋桨发动机靠动力涡轮把燃气发生器出口燃气中的大部分可用能量转变为轴功率用以驱动空气螺旋桨。由于螺旋桨转速较低，动力涡轮与螺桨之间设有减速器。燃气中剩下小部分可用能(约10%)在喷管中转为气流动能，直接产生推力，如图1-13所示。涡轮螺旋桨发动机与活塞式发动机相比，具有重量轻、振动小等优点；与涡轮喷气和涡轮风扇发动机相比，则具有耗油率低和起飞推力大的优点。受螺旋桨性能的限制，飞行速度一般不超过800k

8、m/h。因此，在大型远程运输机上，涡轮螺旋桨发动机已为涡轮风扇发动机所取代，但在中、小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途。4）桨扇发动机桨扇发动机既可看作带高速先进螺桨的涡桨发动机，又可看作除去外涵道的大涵道比涡扇发动机，因而兼有前者耗油率低和后者飞行速度高的优点。桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数0.8下保持较高的效率。桨扇发动机的概念研究始于20世纪70年代中期。80年代后半期已完成地面和飞行验证试验，基本达到预期目标。由于航空公司的综合经济因素和公众接受心理等种种原因，桨扇发动机尚未进入实用阶段。5）涡轮轴发动机其工作原理和结构与涡轮螺桨发

9、动机基本相同，只是燃气发生器出口燃气所含可用能量几乎全部为动力涡轮吸收，由喷管流出的燃气只产生很小的推力或根本不产生推力。其主要用途是驱动直升机的旋翼，也可用作地面动力。6）垂直/短距起降动力装置垂直/短距起降动力装置能为垂直/短距起降飞机提供等于、大于飞机起飞重量(垂直起降飞机)或略小于飞机起飞重量(短距起降飞机)的垂直推力(升力)，并为飞机提供水平飞行的推力。1.1.4航空燃气发动机组成及工作原理1.活塞式发动机航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合，在密闭的容器(汽缸)内燃烧，膨胀做功的机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推(拉)力。所以，作为飞机的动力装置时，发动机与螺旋桨是不

10、能分割的。1)活塞式发动机的主要组成活塞式发动机主要由汽缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。2)四冲程活塞式发动机的工作原理(1)进气冲程 发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”。汽缸头上的进气门打开，排气门关闭，活塞从上死点向下滑到下死点为止。汽缸内的容积逐渐增大，气压降低(低于外面的大气压)。于是新鲜的燃油和空气的混合气体通过打开的进气门被吸入汽缸内，当活塞运动到下死点时，进气门关闭，进气冲程结束。(2)压缩冲程 在第一个冲程结束后，曲轴依靠惯性的作用继续旋转，把活塞由下死点向上推动。这时进气门和排气门一样都已经关闭。汽缸内的容积逐渐减少，混合气体受到活塞的强烈压缩。

11、当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和汽缸头之间的狭小空间内，这个小空间叫做“燃烧室”。这时，混合气体的温度也增加到400左右。(3)工作冲程 在压缩冲程快结束时，此时活塞接近上死点，汽缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧的时间很短，大约为0.015s，但是速度很快。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，燃烧气体的温度接近2500。活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动，推动连杆向下运动，连杆便带动曲轴转起来。这时汽油燃烧产生的热能转变成机械能，从而做功。这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程。其余三个冲程都是为这个冲程做准备的。(4)排气冲程 工作冲程结束后

12、，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死点向上运动。这时进气门仍旧关闭而排气门打开，燃烧后的废气便通过排气门向外排出。当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已经被排出。然后排气门关闭，进气门打开，活塞又从上死点下行，开始了新一轮的循环。汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而做功，这一总的过程叫做一个“循环”。这是一种周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫“热循环”。发动机每进行一次循环，活塞往复两次，经过四个冲程，因此这种发动机被称作四冲程发动机，也被叫做复式发动机。2.空气喷气发动机由于螺旋桨在高速飞行条件下阻力增大，尤其是在飞机接近声速时，螺旋桨上各点

13、的速度基本上都达到或者超过声速，这时在叶尖产生激波，使阻力大增。同时活塞式发动机在降低功率重量比上已接近极限，因此为了提高飞机的飞行速度，人们迫切需要一种新的动力装置来取代活塞式发动机。于是喷气式发动机脱颖而出，1939年在德国试飞了世界上第一架喷气式飞机He178(见图1-22)，从此人类进入了喷气时代。航空燃料(航空煤油)在喷气式发动机内燃烧导致气体膨胀后，膨胀的燃气向后排出以产生巨大的作用力从而使飞机受到向前的推力。它分为两大类，一类是自带燃油和氧化剂的火箭发动机，它不依靠外界环境而是靠自身条件燃烧产生动力，这类发动机是航天飞行器的唯一动力形式；另一类是自带燃油，但是依靠空气中的氧气进行燃烧，所以在大气层内飞行，被称为空气喷气发动机，它是喷气式航空器的主要动力形式。(1)涡轮喷气发动机 涡轮喷气发动机的基本组成涡轮喷气发动机通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。部分军用发动机的涡轮和尾喷管间