航空發(fā)動機構(gòu)造 第十章 其他航空發(fā)動機

1、第10章其他航空發(fā)動機簡介Introduction of Other Aero-engine第10.1節(jié) 航空活塞發(fā)動機aircraft piston engine從1903年第一架飛機升空到第二次世界大戰(zhàn)末期，所有飛機都用活塞式航空發(fā)動機作為動力裝置。40年代中期在軍用飛機和大型民用機上燃氣渦輪發(fā)動機逐步取代了活塞式航空發(fā)動機，但小功率活塞式航空發(fā)動機比燃氣渦輪發(fā)動機經(jīng)濟，在輕型低速飛機上仍得到應(yīng)用。航空活塞式發(fā)動機是利用汽油與空氣混合，在密閉的容器（氣缸）內(nèi)燃燒，膨脹作功的機械。活塞式發(fā)動機必須帶動螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推（拉）力。所以，作為飛機的動力裝置時，發(fā)動機與螺旋槳是不能分割的。（一

2、）活塞式發(fā)動機的主要組成主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構(gòu)、螺旋槳減速器、機匣等組成。氣缸是混合氣（汽油和空氣）進行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運動。氣缸頭上裝有點燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進、排氣門。發(fā)動機工作時氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴大散熱面積。氣缸在發(fā)動機殼體（機匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)動機有5個、7個、9個、14個、18個或24個氣缸不等。圖10.1.1 活塞發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖在單缸容積相同的情況下，氣缸 數(shù)目越多發(fā)動機功率越大?；钊惺苋細鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運動，并通過連桿將這種運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿用來連接活塞和曲

3、軸。 曲軸是發(fā)動機輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動時，通過減速器帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發(fā)電機等）。氣門機構(gòu)用來控制進氣門、排氣門定時打開和關(guān)閉。圖10.1.2 航空活塞發(fā)動機排列布置形式（二）活塞式發(fā)動機的工作原理活塞頂部在曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠的位置叫上死點、最近的位置叫下死點、從上死點到下死點的距離叫活塞沖程?；钊胶娇瞻l(fā)動機大多是四沖程發(fā)動機，即一個氣缸完成一個工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個沖程，依次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。發(fā)動機開始工作時，首先進入“進氣沖程”，氣缸頭上的進氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上死點向下滑動到下死點為止，氣缸

4、內(nèi)的容積逐漸增大，氣壓降低低于外面的大氣壓。于是新鮮的汽油和空氣的混合氣體，通過打開的進氣門被吸入氣缸內(nèi)。混合氣體中汽油和空氣的比例，一般是 1比 15即燃燒一公斤的汽油需要15公斤的空氣。進氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點向上推動。這時進氣門也同排氣門一樣嚴密關(guān)閉。氣缸內(nèi)容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強烈壓縮。當(dāng)活塞運動到上死點時，混合氣體被壓縮在上死點和氣缸頭之間的小空間內(nèi)。這個小空間叫作“燃燒室”。這時混合氣體的壓強加到十個大氣壓。溫度也增加到攝氏4OO度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個小小空間里

5、的混合氣體的壓強大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。當(dāng)活塞處于下死點時，氣缸內(nèi)的容積最大，在上死點時容積最?。ê笳咭彩侨紵业娜莘e）?；旌蠚怏w被壓縮的程度，可以用這兩個容積的比值來衡量。這個比值叫“壓縮比”?；钊娇瞻l(fā)動機的壓縮比大約是5到8，壓縮比越大，氣體被壓縮得越厲害，發(fā)動機產(chǎn)生的功率也就越大。壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點時，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點燃，燃燒時間很短，大約0.015秒；但是速度很快，大約達到每秒30米。氣體猛烈膨脹，壓強急劇增高，可達6O到75個大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到250O度。

6、燃燒時，局部溫度可能達到三、四千度，燃氣加到活塞上的沖擊力可達15噸?；钊谌細獾膹姶髩毫ψ饔孟?，向下死點迅速運動，推動連桿也門下跑，連桿便帶動曲軸轉(zhuǎn)起來了。圖10.1.3 航空活塞發(fā)動機工作原理這個沖程是使發(fā)動機能夠工作而獲得動力的唯一沖程。其余三個沖程都是為這個沖程作準(zhǔn)備的。第四個沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點向上運動。這時進氣門仍舊關(guān)閉，而排氣門大開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。 當(dāng)活塞到達上死點時，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門關(guān)閉，進氣門打開，活塞又由上死點下行，開始了新的一次循環(huán)。從進氣沖程吸入新鮮混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣

7、止，汽油的熱能通過燃燒轉(zhuǎn)化為推動活塞運動的機械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過程叫做一個“循環(huán)”。這是一 種周而復(fù)始的運動。由于其中包含著熱能到機械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫做“熱循環(huán)”。發(fā)動機熱效率與壓縮比和燃燒后工質(zhì)溫度有關(guān)過大的壓縮比會使工質(zhì)的壓力和溫度過高,燃油可能在未被電嘴點火前就自動燃燒并形成爆震波，引起汽缸局部過熱和增大零件負荷，降低發(fā)動機的可靠性。提高汽油的辛烷值是提高壓縮比、防止爆震的有效措施。航空汽油的辛烷值一般在 100以上。每個汽缸能發(fā)出的功率受到工質(zhì)溫度的限制。每升活塞排量發(fā)出的功率稱為升功率，一般為2244千瓦（3060馬力），個別發(fā)動機可達59千瓦（80馬力），活塞排

8、量是指活塞在汽缸內(nèi)自最下端移至最上端所掃過的容積活塞航空發(fā)動機要完成四沖程工作，除了上述氣缸、活塞、聯(lián)桿、曲軸等構(gòu)件外，還需要一些其他必要的裝置和構(gòu)件。（三）活塞式航空發(fā)動機的輔助工作系統(tǒng)發(fā)動機除主要部件外，還須有若干輔助系統(tǒng)與之配合才能工作。主要有進氣系統(tǒng)（為了改善高空性能，在進氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器，其功用是增大進氣壓力）、燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)（主要包括高電壓磁電機、輸電線、火花塞）、起動系統(tǒng)（一般為電動起動機）、散熱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等。第10.2節(jié) 沖壓噴氣發(fā)動機 Ramjet沖壓噴氣發(fā)動機是一種利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機。它通常由進氣道（又稱擴壓器）、燃

9、燒室、推進噴管三部組成。沖壓發(fā)動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發(fā)動機。這種發(fā)動機壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發(fā)動機進氣道中減速，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能（例如進氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍）。沖壓發(fā)動機的工作時，高速氣流迎面向發(fā)動機吹來，在進氣道內(nèi)擴張減速，氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200甚至更高，高溫燃氣隨后經(jīng)推進噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機的推力與進氣速度有關(guān)，如進氣速度為3倍音速時，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過2OO千牛。沖壓發(fā)動機的構(gòu)造簡單、

10、重量輕、推重比大、成本低。但因沒有壓氣機，不能在靜止的條件下起動，所以不宜作為普通飛機的動力裝置，而常與別的發(fā)動機配合使用，成為組合式動力裝置。如沖壓發(fā)動機與火箭發(fā)動機組合，沖壓發(fā)動機與渦噴發(fā)動機或渦扇發(fā)動機組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器，在起飛時開動火箭發(fā)動機、渦噴或渦扇發(fā)動機，待飛行速度足夠使沖壓發(fā)動機正常工作的時，再使用沖壓發(fā)動機而關(guān)閉與之配合工作的發(fā)動機；在著陸階段，當(dāng)飛行器的飛行速度降低至沖壓發(fā)動機不能正常工作時，又重新起動與之配合的發(fā)動機。如果沖壓發(fā)動機作為飛行器的動力裝置單獨使用時，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時，才能將沖壓發(fā)動機起動后投放。沖壓發(fā)動機

11、或組合式?jīng)_壓發(fā)動機一般用于導(dǎo)彈和超音速或亞音速靶機上。按應(yīng)用范圍劃分，沖壓發(fā)動機分為亞音速、超音速、高超音速三類。 一、亞音速沖壓發(fā)動機亞音速沖壓發(fā)動機使用擴散形進氣道和收斂形噴管，以航空煤油為燃料。飛行時增壓比不超過 1.89，飛行馬赫數(shù)小于 O.5時一般不能正常工作。亞音速沖壓發(fā)動機用在亞音速航空器上，如亞音速靶機。二、超音速沖壓發(fā)動機超音速沖壓發(fā)動機采用超音速進氣道（燃燒室入口為亞音速氣流）和收斂形或收斂擴散形噴管，用航空煤油或烴類燃料。超音速沖壓發(fā)動機的推進速度為亞音速6倍音速，用于超音速靶機和地對空導(dǎo)彈（一般與固體火箭發(fā)動機相配合）。三、高超音速沖壓發(fā)動機這種發(fā)動機燃燒在超音速下進行

12、，使用碳氫燃料或液氫燃料，飛行馬赫數(shù)高達516，目前高超音速沖壓發(fā)動機正處于研制之中。 由于超音速沖壓發(fā)動機的燃燒室入口為亞音速氣流，也有將前兩類發(fā)動機統(tǒng)稱為亞音速沖壓發(fā)動機，而將第三種發(fā)動機稱為超音速沖壓發(fā)動機。第10.3節(jié) 火箭發(fā)動機 Rocket火箭發(fā)動機是我國勞動人民首先創(chuàng)造出來的。早在唐代初年(約在七世紀）火藥就出現(xiàn)了，南宋時代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。大約在十三世紀制成火箭。我國古代制造的火箭和起花所用的是黑色火藥。它們的工作原理和現(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。同空氣噴氣發(fā)動機相比較，火箭發(fā)動機的最大特點是：它自身既帶燃料，又帶氧化劑，靠氧化劑來助燃，不需要從周圍的大氣層中

13、汲取氧氣。所以它不但能在大氣層內(nèi)，也可在大氣層之外的宇宙真空中工作。這是任何空氣噴氣發(fā)動機都做不到的。目前發(fā)射的人造衛(wèi)星、 月球飛船以及各種宇宙飛行器所用的推進裝置，都是火箭發(fā)動機?，F(xiàn)代火箭發(fā)動機主要分固體推進劑和液體推進劑發(fā)動機。所謂“推進劑”就是燃料（燃燒劑）加氧化劑的合稱。 一、固體火箭發(fā)動機固體火箭發(fā)動機為使用固體推進劑的化學(xué)火箭發(fā)動機。固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固體火箭發(fā)動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑制成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于燃燒室（一般即為發(fā)動機殼體）中。

14、在推進劑燃燒時，燃燒室須承受25O035O0度的高溫和1022×107帕的高壓力，所以須用高強度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。點火裝置用于點燃藥柱，通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點火燃藥拄。噴管除使燃氣膨脹加速產(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細鈬娚浣嵌?，從而實現(xiàn)推力方向的改變。藥柱燃燒完畢，發(fā)動機便停止工作。固體火箭發(fā)動機與液體火箭發(fā)動機相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，推進劑密度大，推進劑可以儲存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點。缺點是“比沖”?。ㄒ步斜韧屏?/p>

15、，是發(fā)動機推力與每秒消耗推進劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發(fā)動機比沖在25O300秒，工作時間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動困難，從而不利于載人飛行。固體火箭發(fā)動機主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動機，以及航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動機。 二、液體火箭發(fā)動機 液體火箭發(fā)動機是指液體推進劑的化學(xué)火箭發(fā)動機。常用的液體氧化劑有液態(tài)氧、四氧化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。液體火箭發(fā)動機一般由推力室、推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)組成。推力室是將液體推進劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進力的重要組件。它由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成，見圖。推進劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化，蒸發(fā)，混合和燃燒等過成生成燃燒產(chǎn)物，以高速（25O0一5000米秒）從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可達2O0大氣壓（約20OMPa）、溫度300O400O，故需要冷卻。推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調(diào)定的壓力控制）進入氧化劑、燃燒劑貯箱，將