《航空概论》课件 04 动力装置与系统

航空概论第四章动力装置与系统XXXX学院概述涡轮喷气发动机的推力涡轮喷气发动机的单位参数和效率绪论CON

TENTS概述3发动机是飞机的“心脏”，工业皇冠的明珠——航空发展，动力先行航空燃气涡轮发动机的发展历程蒸汽机（1763）凯利提出飞行原理（1810年）滑翔机（1870’）内燃机（1880’）飞机（1903）热气球（1780’）1900185018001750飞机的发明比以蒸汽机为标志的工业革命晚了近140年由于动力的缺乏（蒸汽机太笨重），动力飞行比工业革命晚了近140年，比“空气动力学之父”凯利提出飞行原理晚了近100年。概述4活塞螺旋桨发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程美国莱特兄弟于1903年研制出世界上第一架真正意义的飞机——“飞行者1号”，由四缸直列水冷活塞式发动机驱动木质螺旋桨，称之为螺旋桨飞机；发动机功率9.7kw，重量77kg，速度不到16km/h；概述5活塞螺旋桨发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程活塞发动机在两次世界大战期间得到了快速发展，用于美国P5l“野马”式战斗机的活塞发动机“梅林”功率高达1120kw，飞机飞行速度可达760km/h（211m/s）；发动机：V型，12缸，液冷；概述6活塞螺旋桨发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程活塞螺旋桨发动机缺点：活塞发动机通过带动螺旋桨产生拉力及推力；活塞发动机随飞行高度增加，功率迅速减小；螺旋桨效率随飞行速度增大而急剧降低；接近音速时局部出现音障现象，飞行阻力大幅增加。人类对飞机的要求：更快，更高，载重量更大——第二次世界大战结束后，活塞式发动机逐渐退出航空业的历史舞台概述7活塞螺旋桨发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程活塞螺旋桨发动机优点：结构相对简单，耗油率低，价格便宜。功率小于370kW的水平对缸活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机、无人靶机等。概述8航空燃气涡轮发动机的发展历程活塞发动机燃气涡轮发动机816km/h（约0.7倍声速）飞机最大飞行速度（公里/小时）3500km/h（约3倍声速）声速1224km/h(340m/s)活塞发动机10,000m30,000m燃气涡轮发动机飞机飞行高度概述9喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程20世纪20年代开始，美、苏、德、英等都有人提出各种燃气涡轮发动机专利和方案，美、苏从轴流式发动机入手，但是没有进展，德、英在离心式发动机上获得很大进步；Whittle在1930年申请的专利概述10喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程1937年4月12日，英国皇家空军少校怀特（惠特尔）试验成功世界第一台离心式燃气涡轮发动机W1，推力2kN；1941年5月，一架格罗斯特公司生产的E29/39飞机装上W2型怀特发动机进行了英国首次飞行试验。W2型涡喷发动机概述11喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程1937年9月，德国的冯·奥海因研制成功了HeS-3燃气涡轮发动机；1939年8月27日，一架He-178飞机装上HeS-3B型发动机进行了世界首次喷气飞行试验。He-S-3B型涡喷发动机He-178概述12喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程美国的HapArnold将军看到了怀特的研究成果，与英国政府协商成功后，让怀特去美国指导设计W2B型发动机。美国的GE公司在怀特的指导下，参照W2B型发动机设计出了GEI-A型发动机，1942年末，装载两台GEI-A型发动机的BellXP-59A型飞机成功试飞，标志着美国具有了设计燃气涡轮发动机的能力。概述13喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程在二战时期，德国还研发成功了轴流式燃气涡轮发动机，配装在著名的梅塞施米特Me-262型战斗机上（Messerschmitt

Me-262）。JunkerJumo004Me-262概述14喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程离心式燃气涡轮发动机轴流式燃气涡轮发动机概述15喷气发动机航空燃气涡轮发动机的发展历程最早的燃气涡轮发动机为涡轮喷气发动机，简称涡喷发动机；在涡喷发动机的基础上发展了适用于亚声速长航程飞行的涡桨发动机、大涵道比涡扇发动机，适用于直升机的涡轴发动机，适用于超声速飞行的加力式涡喷发动机、小涵道比涡扇发动机。概述16航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮喷气发动机与螺旋桨发动机相比：推力大，高空高速性能突出；随着推力增加，耗油率增加；涡轮喷气发动机是最原始的航空燃气涡轮发动机，其结构代表了所有燃气涡轮发动机的共性。概述17航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮喷气发动机昆仑发动机WP14：推重比7.22~8.05，用于歼7、歼8概述18航空燃气涡轮发动机的分类和用途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概述19航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮螺桨发动机综合了涡轮喷气与螺旋桨发动机的优点，推力较大，效率高，相当于超大涵道的涡扇发动机；尾喷管排出的燃气推力仅占总推力的5%；速度小于900km/h，在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火、运输等类型飞机中的到广泛应用。概述20航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮螺桨发动机运8E-2“鹰眼”预警机概述航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮螺桨发动机涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外，俄罗斯的图-95战略轰炸机、蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机，让其达到925公里每小时的高速，接近音速。概述22航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮轴发动机用于直升机、坦克、舰船和地面燃机发电等的动力装置与涡桨发动机的区别：排出的燃气不产生推力，全部用于轴功率输出；旋翼转速较螺旋桨低，采用动力涡轮输出轴功，较涡桨需要更重更大的减速齿轮系统，有时减速系统的重量占发动机重量一半以上。涡轴发动机23航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮轴发动机MTR390-2C“虎”式武装直升机涡轴发动机ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机涡轮轴发动机简称涡轴发动机，顾名思义，它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用。涡扇发动机25航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机涡喷发动机与涡桨发动机的折中，兼顾推力与效率；涵道比增加，耗油率减低，噪音低，现代多数民航机发动机的涵道比通常都在5以上；涵道比增加，阻力增加；涵道比大于0.3以上的涡扇发动机不适合超音速巡航飞行；在战斗机中通常使用小涵道比涡扇发动机。涡扇发动机26航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机大涵道比涡轮风扇发动机涡扇发动机27航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机LEAP-1A发动机LEAP-1B发动机涡扇发动机结构涡扇发动机结构概述30航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机LEAP-1C发动机涡扇发动机航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机涡扇发动机涡扇发动机绪论33航空燃气涡轮发动机的分类和用途涡轮风扇发动机涡喷费油，涡扇次之，涡轴省油发动机类型飞机不加力耗油率kg/daN·h推力kNT700-GE-701涡轴阿帕奇0.279kg/kw

h1239kwGE90-B4涡扇B7770.532389F119涡扇F220.62111.19WP14涡喷J80.9849概述绪论34航空燃气涡轮发动机的发展趋势军用发动机的发展趋势：推重比增加；→更快稳定性增强；→更敏捷隐身性能提高；→更安全耗油率降低；→更远概述绪论35航空燃气涡轮发动机的发展趋势变循环技术：高速飞行：具有涡喷发动机高单位推力的特征，以满足超声速巡航、格斗机动飞行、跨音速加速等要求，低速飞行：具有涡扇发动机的低耗油率的特征，满足亚声速巡航、待机、空中巡逻的要求概述绪论36航空燃气涡轮发动机的发展趋势多电/全电技术：采用大功率整体起动/发电机、主动磁浮轴承系统、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术和系统的新型航空发动机。取消了传统接触式滚动轴承、滑油系统、功率提取轴、减速器和有关机械作动附近，大大减轻重量、降低成本、减少发动机迎风面积，改善可靠性和维修性。概述绪论37航空燃气涡轮发动机的发展趋势冲压发动机技术：没有压气机、涡轮，结构简单、重量轻、推重比大，成本低，在飞行马赫数大于3时使用；目前不能自启动，须用其他发动机作为助推器，与火箭发动机组合为RBCC，与涡喷发动机组合为TBCC。概述绪论38航空燃气涡轮发动机的发展趋势民用发动机的发展趋势：经济性增强；载重量增加；环境污染程度降低。概述绪论39航空燃气涡轮发动机的发展趋势概述绪论40航空燃气涡轮发动机的发展趋势亚音运输机进一步降低耗油率超大涵道比超音运输机实现环球更快捷飞行低涵道比涡扇发动机变循环发动机概述绪论41航空燃气涡轮发动机的发展趋势齿轮驱动风扇技术（GTF）：低压涡轮轴驱动一个减速齿轮箱，齿轮箱连接风扇轴驱动风扇；有利于降低燃油消耗率、发动机重量、噪音等。涡扇发动机结构风扇LEAP发动机的风扇叶片是用三维编织树脂模传递成形(3DWRTM)的方法制作的，它的碳纤维不是简单层叠在一起，而是采用三维技术编织形成网状结构，使其更加坚固，随后注入树脂并在高压容器内固化。这种叶片不仅质量轻、耐久性好，抗外物打伤能力强、抗振动性能好，而且能完成复杂的型面。每台LEAP发动机有18片风扇叶片，长0.79m、宽0.37m、重5.65kg。涡扇发动机结构风扇机匣风扇机匣采用了复合材料制造，这是继GEnx后第2种采用复合材料风扇机匣的GE发动机。由于在风扇部件中采用了复合材料的叶片与机匣创新技术，使装LEAP发动机的飞机每架约可减重约450kg。涡扇发动机结构压气机低压压气机（LPC）3级轴向，与风扇相连，由低压涡轮驱动，进一步压缩进入发动机的空气，提高空气压力，为高压压缩机提供合适的进气条件。高压压气机（HPC）10级轴向，第1~4级采用整体叶盘设计，每个压缩机旋转叶片采用3D空气动力学技术设计。HPC前定子包括进口导向叶片（IGV）和前压缩机定子壳体，带有四级可变定子叶片（VSV），HPC后定子包含五级固定压缩机定子叶片，可有效将空气压缩到更高压力，为燃烧提供充足的高压空气。LEAP-1A发动机高压压气机与涡轮涡扇发动机结构燃烧室采用第二代双环预混旋流燃烧室（TAPSⅡ），GE公司基于第一代TAPS燃烧室所取得的成功技术，借助于计算流体力学（CFD）手段，主要是先进的大涡模拟（LES）数值模拟方法，对燃烧室的燃油喷嘴和油气的掺混特性进行优化。优化的燃油与空气掺混特性，可有效地避免燃烧室内部热点和局部富油燃烧可能造成NOx排放的增加，因此TAPSⅡ燃烧室的NOx排放量比CAEP/6标准低50%。涡扇发动机结构高压涡轮（HPT）2级，第1级有60片叶片，第2级有68片叶片，采用了高载荷设计，目前LEAP核心机单级高压涡轮的设计压比是16。叶片材料为先进的涡轮新型材料(ATAMS)，导向器和外罩环的材料使用了陶瓷基复合材料(CMC)，使得LEAP发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高，而重量明显降低。还应用了经过验证的涡轮导向器新结构，新的气动设计技术和减振叶片。涡扇发动机结构低压涡轮（LPT）7级，采用了新一代三维气动设计。低压涡轮转子叶片材料使用了先进的耐高温、重量轻的钛铝金属间化合物(TitaniumAluminide)材料。低压涡轮导向器叶片的材料为陶瓷基复合材料(CMC)其质量仅为传统材料的1/2甚至更轻，但可以耐1200℃以上的高温，并且不需要冷却，易于加工。涡扇发动机结构尾喷管尾喷管属于涡轮喷气系统的排气系统的一部分。功能：将从涡轮流出的燃气膨胀加速，将燃气部分的焓变成动能，提高燃气的速度，使燃气高速排出，产生较大的推力；通过调节喷管临界截面积改变气流在涡轮和尾喷管中膨胀比的分配，进而改变发动机的状态并推力换向；消音装置有助于减少噪音和红外辐射。涡扇发动机结构2022年12月9日，一架编号为B-919A的C919从上海浦东国际机场启航飞往上海虹桥机场，标志着全球首架C919交付首家用户中国东航。C919大型客机以两台CFM国际公司的LEAP发动机为动力，采用先进气动设计和先进材料，碳排放更低、燃油效率更高。涡扇发动机结构涡扇发动机结构人工智能叶片检测工具（BIT）桨扇发动机桨扇发动机燃油类发动机动力系统组成航空活塞发动机涡轮发动机燃油类发动机动力系统组成1）储存：根据无人机的用途和续航里程等选择足够容量的燃油箱，储存燃油。2）供油：将燃油箱的燃油通过油泵、输油管路安全可靠地定时定量地供给发动机。3）调整：调整无人机整体机身重心位置，保证无人机平衡和机体结构受力均衡。4）冷却：为发动机滑油、液压油提供冷却装置。燃油系统的作用燃油系统燃油类发动机动力系统组成燃油系统1）燃油箱：根据无人机的用途和续航里程等选择足够容量的分为软油箱、硬油箱、整体油箱。燃油箱要有足够的容量，保证发动机正常工作时的油耗。为提高燃油清洁性，可加装油滤，过滤燃油中的杂质。2）输油管路：分为串联和并联。输油管路连接了燃油箱与发动机之间、燃油箱与燃油箱之间，确保供油通畅。燃油系统的组成燃油类发动机动力系统组成燃油系统3）燃油增压泵：为了保持燃油箱内的油面压力大于燃油的饱和蒸气压，确保燃油顺利地进入发动机内部，完成能量转化任务。4）防火开关：设置在燃油泵之前，当发动机发生故障着火时，通过电气控制自动关闭开关，停止供油，防止火势蔓延。燃油系统的组成5）放油开关：在更换油箱或油泵时，通过放油开关放尽油泵里残余的燃油。6）燃油控制系统：包含计算系统和计量系统，根