民用航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介

1、民航概論課程作業(yè)民用航空渦輪噴氣發(fā)動機各部件簡介及其工作原理姓 名： *學院(系 ： 民航（飛行）學院專業(yè)： *班 級： 0710103學 號： *二一二年十二月二十四日民用航空渦輪噴氣發(fā)動機各部件簡介及其工作原理民用航空自開始以來，隨著時代的變遷和人們生活水平的提升，正處于高速發(fā)展狀態(tài)。各經濟發(fā)展較迅速的國家均爭相發(fā)展自己的航空航天產業(yè)，民用航空則是一個關系民生的重要組成部分。我國自1920年開通第一條航線以來，民航正處于跨越式發(fā)展階段，無論是投入還是硬件設施，足以與發(fā)達國家相聘美。然而發(fā)動機作為飛機的心臟，一直是遏制民航發(fā)展的一個瓶頸。作為南京航空航天大學民航學院的一名學生，在學習了民航概

2、論，飛行原理等課程后，通過參考各種文獻和書籍，我在這僅其中的很小一部分，即航空渦輪噴氣發(fā)動機發(fā)表自己的一些淺薄認知。民用航空發(fā)動機作為飛機的核心，關系著整架飛機的運行及安全。噴氣渦輪發(fā)動機共由五部分組成：進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管。每一個部分各自發(fā)揮著作用，又相互影響，相互制約。 1. 進氣道在民用航空中發(fā)動機一般是一個獨立的整體，進氣道也幾乎與機身有一定間隔，并非作為一體化設計，當然也有將發(fā)動機與機身進行一體化設計的，一般在軍用飛機中較為常見。進氣道作為發(fā)動機的起始部分，有著非常重要的作用，對整臺發(fā)動機的工作有著重要的影響，甚至可以說，如果進氣道出問題，整臺發(fā)動機都不能工作甚至毀壞

3、。進氣道的作用大致為：在各種狀態(tài)下，將足量的空氣以最小的流動損失，順利地引入壓氣機；當壓氣機進口處的氣流馬赫數(shù)小于飛行馬赫數(shù)時，通過沖壓壓縮空氣，提高空氣的壓力；在所有飛行條件和發(fā)動機工作狀態(tài)下，進氣道的增壓過程避免過大的空間和時間上的氣流不均勻性，以減少風扇或壓氣機喘振和葉片振動的危險；進氣道的外阻力應盡可能小。 進氣道有兩種，分別是亞音速進氣道和超音速進氣道。在民用航空中，安全始終是放在首要地位，因此絕大部分民用客機是工作在亞音速階段。據(jù)我所知，目前只有協(xié)和號作為超音速客機運行，但是由于種種原因，它的運行也受到限制。所以我在這只簡單討論亞音速進氣道的工作原理。飛機運行速度一般為幾百公里每小

4、時，根據(jù)相對運動原理，流向進氣道的氣流流速即為飛機空速（不考慮氣流本身速度）。進氣道一般為圓形，進氣道唇口厚而大，目的是為了使氣流盡可能平滑流進發(fā)動機，減少摩擦阻力。氣流流入進氣道后，有一段擴張，其目的主要是減速和增壓。根據(jù)連續(xù)性定理，亞音速氣流流經擴張截面時，速度減小，只有氣流速度降下來后，才方便進一步的處理，由此動壓減小；再根據(jù)伯努利定理，氣流動壓減小后，靜壓增大，起到了一定的增壓效果，但是并非那么明顯，因為進氣道的主要功用還是引入足量的氣流使發(fā)動機正常工作，并非增壓。由于在高空飛行時可能出現(xiàn)飛機積冰現(xiàn)象，所以為保護發(fā)動機，在進氣道設計時將進氣道曲率半徑盡可能設計的大。因為曲率半徑越大，積

5、冰越弱。所以發(fā)動機進氣道一般為圓而厚的唇口。2. 壓氣機壓氣機是航空燃氣渦輪發(fā)動機中的一個重要部分。它的主要功用是對流過它的空氣進行壓縮，提高空氣的壓力，為燃氣膨脹做功創(chuàng)造條件，以改善發(fā)動機的經濟性，增大發(fā)動機的推力。其增壓的方法一般是通過高速旋轉的壓氣機葉片對氣流做功，將功轉變?yōu)閴毫菽芎蛢饶?。壓氣機根據(jù)結構的不同和氣流的流動方式不同又分為離心式壓氣機和軸流式壓氣機。但是由于離心式壓氣機迎風面積大，效率低等原因并未被重用。但是它在其他領域仍發(fā)揮著重要作用，如巡航導彈、無人駕駛偵察機等。離心式壓氣機的單級增壓比較高，一般可達到12以上。圖2 亞音速進氣道離心式壓氣機由進氣系統(tǒng)、葉輪、擴壓器、集

6、氣管等部分組成。其中，葉輪和擴壓器是離心式壓氣機的兩個主要部件。進氣系統(tǒng)安裝在葉輪的進口處。其流動通道是收斂形的。它的功用是使氣流以一定的方向均勻地進入工作葉輪，以減小流動損失。空氣在流過它時速度增大，而壓力和溫度下降。葉輪是高速旋轉的部件，葉輪上葉片間的通道是擴張形的，空氣在流過它時，對空氣做功，加速空氣的流速，同時提高空氣的壓力。葉輪分單面葉輪和雙面葉輪兩種。所謂單面葉輪是在輪盤的一側安裝有葉片，從一面進氣；而雙面葉輪是指在輪盤的兩側都安裝有葉片，從兩面進氣，這樣可以增大進氣量，而且對于平衡作用在軸承上的軸向力也有好處。擴壓器位于葉輪的出口處，是一個環(huán)形室，裝有一定數(shù)量的整流葉片，兩個相鄰

7、葉片間的通道是擴張形的，空氣流過它時，速度下降，壓力和溫度都上升。軸流式壓氣機則是現(xiàn)代民用航空的重要發(fā)展對象。由于可以通過增加壓氣機的級數(shù)來改善其單級增壓比不高的狀況，軸流式壓氣機從問世以來一直備受青睞。單級軸流式壓氣機由轉子和靜子組成，單級增壓比一般可在1.151.35.軸流式壓氣機的轉子葉片通過高速旋轉對氣流做功，壓縮空氣，提高了空氣的壓力。相鄰轉子葉片之間的通道是擴張型的，這也是根據(jù)連續(xù)性定理和伯努利定理來對氣流進行擴張增壓，進一步增大氣流壓力，提高壓氣機增壓效果。壓氣機的靜子，作為導向葉片和增壓部件，在壓氣機中也發(fā)揮著極其重要的作用。由于通過轉子旋轉增壓后，氣流方向已經改變，若不對氣流

8、加以引導，在氣流流經下一級壓氣機轉子時，將不能更好地為氣流增壓。所以，有了壓氣機的靜子，靜子固定在機殼上，將氣流流動法相加以改變，使氣流順利流入下一級壓氣機轉子。同時，壓氣機兩相鄰靜子之間的氣流流通通道也是擴張型的，這也是在氣流流動過程中對氣流增壓。圖3 壓氣機剖面圖軸流式壓氣機優(yōu)缺點：其主要優(yōu)點為可以用增加級數(shù)的方法提高壓氣機的總增壓比，以提高壓氣機的效率，通常，軸流式壓氣機的效率可以達到87%以上；與離心式壓氣機相比，軸流式壓氣機單位面積的流通能力高，所以迎風面積小，阻力小。其缺點為單級增壓比低，目前一級軸流式壓氣機的增壓比只有1.151.35之間；結構復雜。軸流式壓氣機根據(jù)機匣的結構不同

9、分為三種：等外徑、等內經和等中徑。對于等外徑的壓氣機，其主要是，用外徑不變，增大內徑的方法保證通道收縮。這種流道的優(yōu)點是各級的圓周速度較大，可以提高每級的加工量，可以減少級數(shù)，同時，機匣比較容積加工。它適合于大流量，中等增壓比的壓氣機。等內徑的結構形式，用內徑不變，縮小外徑的方法保證流道收縮。與等外徑相比，在迎風面積一樣時，如果增壓比一樣，則最后一級葉片的高度比等外徑的要大，因此可以減小端面的損失，提高級的效率，但在相同的增壓比下，等內徑壓氣機的級數(shù)要比等外徑壓氣機的級數(shù)要多一些。它適用于小流量，高增壓比的壓氣機。等中徑的結構形式，用縮小外徑，擴大內徑的方法保證流道收縮。適用于大流量、高增壓比

10、的壓氣機。 壓氣機基元級增壓原理主要是利用擴散增w 壓的原理來提高空氣壓力在葉輪內, 絕對速度增大, 相對速度減小, 同時, 總壓、靜壓和總溫、靜溫都提高; 在整流器內, 絕對速度減小, 靜壓和靜溫提高, 但總壓下降, 總溫保持不變.圖4 壓氣機轉子與靜子 圖5 壓氣機三種結構形式 等外徑 等內徑 等中徑 基元級增壓原理：輪緣功表達式31u f dp W w =+f w -葉柵（包括動葉柵和靜葉柵）中的流動損失。軸流式壓氣機主要是利用擴散增壓的原理來提高空氣壓力的。亞音速氣流流過擴張形通道時，速度降低，壓力升高。基元級由工作葉柵和整流器葉柵通道組成，兩處葉柵通道均是擴張形的。當空氣流過工作葉輪

11、葉柵時，由于高速旋轉的葉片對空氣做功，使氣流的絕對速度增大，同時由于兩個相鄰葉片間的通道是擴張形的，則使氣流的相對速度降低，相對運動動能轉變?yōu)閴毫ξ荒芎蛢饶?，使氣流的壓力和溫度上升。對氣流做功，還使氣流的總壓和總溫都提高。當氣流流過整流器葉柵通道后，由于整流器中兩個相鄰葉片間的通道也是擴張形的，使氣流的絕對速度降低，絕對運動動能轉變?yōu)閴毫ξ荒芎蛢饶埽箽饬鲏毫M一步提高，溫度也繼續(xù)上升，由于在整流葉柵通道內是絕能流動，故空氣總溫保持不變，由于流動損失，氣流總壓略有下降。基元級內氣流參數(shù)變化的情況：在葉輪內，絕對速度增大，相對速度減小，同時，總壓、靜壓和總溫、靜溫都提高；在整流器內，絕對速度減小

12、，靜壓和靜溫提高，但總壓下降，總溫保持不變。由此可見，空氣在流過基元級時，不僅在葉輪內受到壓縮，而且在整流器內也受到壓縮。在葉輪內，空氣壓力的提高，是相對運動動能減小的結果。但是，不論是葉輪還是整流器，空氣增壓都是由于高速旋轉的葉片對空氣做功的結果。這是因為：如果葉輪不轉動，則葉輪進口氣流相對速度就得不到提高，同樣，如果葉輪不對空氣做功，葉輪出口氣流絕對速度也得不到提高。軸流式壓氣機經過一級一級的累積后，增壓效果顯著，一般增壓比在40以上。為下一步燃燒室的燃燒提供了條件。圖6 壓氣機基元級增壓變化3. 燃燒室燃燒室是燃氣渦輪發(fā)動機的核心部件，燃料在這和空氣混合后燃燒，將化學能轉化為熱能，形成高

13、溫燃氣。然后將高溫高壓的燃氣輸送到渦輪，推動渦輪做功。因此，燃燒室的工作狀況與發(fā)動機的其他部件的關系也是非常密切的。 燃燒室工作的好壞，將直接影響發(fā)動機的工作與性能，根據(jù)燃燒室的功用，對其基本性能要求主要是：點火可靠，燃燒穩(wěn)定,燃燒完全, 總壓損失小，尺寸小，出口溫度分布滿足要求，排氣污染小。 燃燒室主要由火焰筒、噴嘴、渦流器和燃燒室外套組成。從壓氣機出來的高壓空氣在燃燒室進口處分為兩股，小股氣流進入火焰筒頭部及其小孔，與燃料混合進行燃燒，大股氣流則沿著火焰筒與燃燒室外套之間的通道向后流動，以冷卻火焰筒。當這股氣流流到火焰筒的后段時，氣流又從火焰筒上的孔洞進入火焰筒內，與燃燒區(qū)內的氣流混合后流

14、向渦輪。這樣就不致使火焰筒壁的溫度過高，也不會使渦輪因為過熱而燒毀。渦流器的作用是使空氣產生旋渦，以便與燃料均勻混合，并在適當部位形成點火源。燃燒室中氣流速度很高，要完成在高速中可靠點火，需要依靠渦流器。渦流器安裝在火焰筒頭部進口處。在兩個圓環(huán)之間焊上斜向排列的葉片，稱為旋流片。氣流經過旋流片構成的通道而產生旋轉運動，形成一個強旋流流場，中心部分形成低壓區(qū)，于是火焰筒后面的高溫氣體便向中心區(qū)倒流，形成一個低速的重復循環(huán)區(qū)(回流區(qū) ，重復循環(huán)的燃氣把新噴進來的燃油珠迅速加熱到點火的溫度以促進燃燒?；亓鲄^(qū)形成類似煙圈一樣的環(huán)行渦流，起穩(wěn)定和保持火焰的作用?；亓鲄^(qū)內氣流軸向速度分布復雜，大小和方向有

15、所不同，在軸向氣流速度低的地方可形成點火源，以保證發(fā)動機在各種工作狀態(tài)下穩(wěn)定點火。燃燒室根據(jù)結構不同又分為三種基本形式：單管燃燒室、聯(lián)管燃燒室及環(huán)形燃燒室。圖7 燃燒室圖8 渦流器單管燃燒室其組成是在內、外殼體之間有816個單管燃燒室，每個單管燃燒室有它自己單獨的火焰筒和外套，火焰筒前安裝有旋流器、噴油嘴，通常在兩個單管燃燒室上裝有點火裝置，各個單管燃燒室之間有聯(lián)焰管相連。殼體和火焰筒頭部之間構成擴壓通道，用來降低流速，提高壓力，保證燃燒順利進行和減少壓力損失。聯(lián)管形燃燒室的組成是由若干個單獨的管形火焰筒沿周向均勻排列在內、外殼體之間形成的環(huán)形腔里，管形火焰筒之間用聯(lián)焰管連接，在每個火焰筒前安

16、裝有旋流器、噴油嘴，通常只有兩個火焰筒上裝有點火裝置。聯(lián)管形燃燒室的優(yōu)點是結構比較緊湊，致使發(fā)動機的直徑較小，外殼體可以傳遞扭矩，從而改善發(fā)動機整體剛性，有利于減輕發(fā)動機地結構重量。聯(lián)管形燃燒室多用于軸流式壓氣機的發(fā)動機上。從氣體在燃燒室內流動的情況，環(huán)形燃燒室可分為直流式的環(huán)形燃燒室，回流式的環(huán)形燃燒室和折流式的環(huán)形燃燒室三種。環(huán)形燃燒室由四個同心圓組成，最內、最外地兩個圓筒為燃燒室地內、外殼體，中間兩個圓筒為火焰筒，在火焰筒地頭部裝有一圈旋流器和噴油嘴。環(huán)形燃燒室多用于軸流式壓氣機的發(fā)動機，由于其結構最緊湊，性能比較好，近來很多發(fā)動機都采用環(huán)形燃燒室。燃燒室的工作過程有：點火、氣流擴壓減速

17、、噴油霧化、回流區(qū)的形成和作用、燃燒過程、摻混冷卻。燃燒室工作在高溫高壓狀態(tài)下，其工作最高溫度可以達到1500左右，隨著飛機性能的提升，對發(fā)動機的研究也在進一步提高，主要就是想提高燃燒室的溫度，以提高燃氣溫度，達到燃油的最大利用。這就必須要考慮到材料的耐高溫特性和耐高壓特性，還要考慮燃油和空氣的混合情況，使其混合均勻并且處于最有利于燃燒的比例。4. 渦輪渦輪是燃氣渦輪發(fā)動機的重要部件之一，安裝在燃燒室的后面，是在高溫燃氣作用下旋轉做功的部件。渦輪和壓氣機同是和氣流進行能量交換的葉片機，這決定了它們之間有很多相似之處。但是，渦輪和壓氣機與氣流間的能量交換在程序上恰恰相反，氣流流過壓氣機時從動葉獲

18、得機械能，因而提高了氣流的壓力和焓；而在渦輪中，氣流則將焓轉變?yōu)閯幽?，然后一部分動能通過動葉轉變?yōu)楣?。也就是說，當壓氣機轉動時，必須從外界輸入機械能，而在渦輪運轉時，可以從渦輪軸上取得功。在燃氣渦輪發(fā)動機中，當壓氣機和渦輪平衡運轉時，渦輪軸上的功除了一部分用來克服軸承上的摩擦和帶動附件外，全部為壓氣機所吸收。 渦輪的結構與壓氣機相似，渦輪有靜子（導向器）和轉子組成。渦輪靜子由渦輪導向器組成，是渦輪的主要傳力部件。導向器是由在外環(huán)和內環(huán)之間安裝若干個導向葉片（叫靜葉）所構成，導向葉片安裝內外環(huán)之間時，其中的一端是較松動地安裝的，工作時由于高溫膨脹而使其固定牢固，導向器安裝在工作葉輪的前面，是固定

19、不動的，兩個相鄰的導向葉片之間的通道是收斂形的。燃氣在其中膨脹加速并使氣流拐彎，將燃氣的一部分熱能轉變?yōu)閯幽?，引導氣流的流動以合適的方向流入工作葉輪。渦輪轉子由渦輪盤、渦輪軸、工作葉片和連接件組成。兩個相鄰的工作葉輪之間的通道是收斂形的，當受到燃氣的沖擊以及燃氣在其中膨脹，便使其轉動作功，去帶動壓氣機和附件。渦輪的工作葉片由葉身和榫頭兩部分組成。渦輪葉片的葉身分為帶冠和不帶冠兩種。由于渦輪是接受燃燒室的高溫高壓燃氣，但是為了節(jié)約成本，渦輪的額材料并沒有像燃燒室那樣采用極度耐高溫的材料，所以渦輪需要冷卻。渦輪葉片的冷卻一般只有第一級渦輪葉片或第一、第二級渦輪葉片需要冷卻。冷卻空氣來源:1.燃燒室

20、的二股氣流；2. 從壓氣機后面級直接引氣；3. 壓氣機中間級引氣。冷卻渦輪葉片的冷空氣通過管道引來的，冷卻后的空氣隨燃氣一起流過渦輪。因此，需要進行冷卻的葉片是空心的。渦輪與壓氣機有許多相似之處，但是由于結構和作用不同，因此也存在許多差異。 在亞音速壓氣機中，壓氣機功約在40kj/kg以內，而渦輪的輪緣功則在200300kj/kg之間，兩者相差如此懸殊，主要是因為氣體在壓氣機中的流動是減速擴壓，存在著正的壓力梯度，在正壓力梯度的作用下，附面層中一部分氣體微團的運動不足以反抗高的反壓而容易發(fā)生分離，因而在一級壓氣機中不允許靜壓提高得太多，氣流轉折角不能太大。至于渦輪，則由于通道是收斂的，燃氣在其

21、中是加速降壓，存在負壓力梯度，所以附面層中的氣體微團圖9 渦輪不容易分離，氣流的轉折角可以較大，也就是說渦輪葉片比壓氣機葉片彎曲的程度要大，燃氣膨脹的程度大，輸出的輪緣功就大。其次是由于渦輪中的氣流速度比壓氣機的大，這是因為渦輪中燃氣溫度比壓氣機中空氣的溫度高得多，因此當?shù)匾羲僖哺叩枚?，當馬赫數(shù)保持在合適的范圍內時，速度值高，這自然對于增加燃氣做功很有利。目前流量大的一級渦輪可以輸出一兩萬千瓦的功率，這些功率被壓氣機吸收，可以帶動57級或更多級壓氣機，因此，在同一臺發(fā)動機中，渦輪的級數(shù)要比軸流式壓氣機的級數(shù)少得多。再有渦輪葉片比壓氣機葉片要厚。其原因有兩個：一個是渦輪葉片受熱嚴重，金屬材料的強度隨著溫度的升高而降低，為了保證葉片的強度，所以渦輪葉片較厚。另一個原因是渦輪葉片需要冷卻，所以渦輪葉片是空心的，以便通冷卻空氣。5. 尾噴管噴管安裝在渦輪的后面也是燃氣渦輪發(fā)動機的一個重要部件。噴管的主要功用是使從渦輪流出來的燃氣膨脹，加速，使燃氣的一部分焓轉變?yōu)閯幽?，提高燃氣的速度，使燃氣以很大的速度排出，這樣可以產生很大的推力；其次是通過反推力裝置改變噴氣方向，即變向后的噴氣為向斜前方的噴氣，產生反推力，以迅速降低飛機落地后的滑跑速度，縮短飛機的滑跑距離；