航空燃氣發(fā)動機概述電子教案

1、項目 （任務）模塊一 航空燃氣發(fā)動機概述授課班級授課教師地 點課時/累計審批/日期張宏超4授課周次課程類型理論教學方法理實一體教學目標知 識 目 標能力（技能）目標1.掌握航空發(fā)動機的發(fā)展史；2.掌握航空發(fā)動機的分類方法；3.掌握航空發(fā)動機的組成；4.掌握航空發(fā)動機的工作原理。1.能識別不同類型的航空發(fā)動機； 2.能識別航空發(fā)動機的主要部件；3.講述不同航空發(fā)動機的工作原理。重難點及解決方法1.識別不同類型的航空發(fā)動機；2.講述不同航空發(fā)動機的工作原理。解決方法：理論聯(lián)系實際，用實物講解；用動畫演示工作原理。能力訓練任務及案例用影片引導方法講解說明一戰(zhàn)、二戰(zhàn)航空發(fā)動機的突飛猛進發(fā)展。教學回顧1

2、.1 航空燃氣發(fā)動機概述1.1.1航空燃氣發(fā)動機定義及發(fā)展1.航空燃氣發(fā)動機定義為飛行器提供動力，推動飛行器前進的裝置稱為推進系統(tǒng)，也稱為動力裝置。它由發(fā)動機、推進劑或燃料系統(tǒng)，以及保證發(fā)動機正常有效工作所需要的導管、附件、儀表和固定在飛行器上的裝置等組成。推進系統(tǒng)的核心部件是發(fā)動機，為了方便，可簡稱為發(fā)動機。2.航空燃氣發(fā)動機的發(fā)展1903年12月17日，萊特兄弟在總結(jié)前人經(jīng)驗教訓的基礎上，完成了公認的世界上第一次有動力飛行。航空發(fā)動機誕生一百多年來，主要經(jīng)歷了兩個階段。前40年(19031945年)，為活塞式發(fā)動機統(tǒng)治時期。后70年(19452011年)，為噴氣式發(fā)動機時代。1.1.2航空

3、燃氣發(fā)動機的設計要求現(xiàn)代的大中型飛機和高速飛機都使用了噴氣式發(fā)動機；但是由于經(jīng)濟性好，易于維護，活塞式發(fā)動機現(xiàn)在仍然在大量使用，主要應用在各類小型、低速飛機上。無論采用哪種形式，當作為航空發(fā)動機時，其基本要求有如下幾點。1.功率重量比大設計飛機的任何部件，都應在滿足使用要求的前提下，盡量減輕其重量。對發(fā)動機來說，就是要保證足夠大的功率而自身重量又很輕。衡量發(fā)動機功率大、重量輕的標準是“功率重量比”。即發(fā)動機所發(fā)出的功率與發(fā)動機重量之比值?！肮β手亓勘取痹酱螅硎驹谙嗤β实那闆r下，發(fā)動機越輕。2.燃油消耗量小發(fā)動機是否省油，是飛機使用的重要經(jīng)濟指標。評定發(fā)動機的經(jīng)濟性，常用“燃油消耗率”作標準

4、。“燃油消耗率”是指單位功率在一小時內(nèi)所消耗的燃油重量。燃油消耗率越小，說明發(fā)動機越省油。3.迎風面積小航空發(fā)動機在保證功率不減小的前提下，應力求減小“迎風面積”，以減小空氣阻力。4.工作安全可靠、壽命長要維持安全飛行，發(fā)動機就必須始終處于可靠狀態(tài)，所以發(fā)動機的可靠性是十分重要的。為了保證發(fā)動機工作安全可靠，必須精心設計，選用合適材料，嚴格工藝規(guī)程。5.維護、修理方便維護、修理統(tǒng)稱為維修。這是保證發(fā)動機可靠性的重要工作。發(fā)動機能否隨時處于可靠狀態(tài)，很大程度取決于“維修”質(zhì)量。維修的好壞，影響發(fā)動機的壽命。維護的目的之一，是發(fā)現(xiàn)故障和排除故障，并對必要的部位進行檢測、清洗、更換潤滑油等。根據(jù)發(fā)動

5、機工作的長短，維護工作一般都按不同的項目定期進行?！靶蘩怼眲t是在零部件損壞的情況下才進行的。由于“維修”工作量很大，所以占飛機使用成本的很大比例。這就有必要在設計時考慮便于拆裝、檢查和維修的方便性，以減小維修工作量，降低維修成本。1.1.3航空發(fā)動機的基本類型1.航空發(fā)動機分類方法航空推進系統(tǒng)按其組成和工作原理可分為兩大類：一類是直接反作用推進系統(tǒng)，另一類是間接反作用推進系統(tǒng)，如圖1-10所示。圖1-10 航空推進系統(tǒng)分類2.燃氣渦輪發(fā)動機的基本類型1）渦輪噴氣發(fā)動機在單個流道內(nèi)，渦輪出口燃氣直接在噴管中膨脹，使燃氣可用能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚賴姎獾膭幽芏a(chǎn)生反作用力，推動飛機前進。渦輪噴氣發(fā)動機按壓氣

6、機形式分為離心式和軸流式，按轉(zhuǎn)子數(shù)目分為單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子。單轉(zhuǎn)子軸流式渦輪噴氣發(fā)動機的結(jié)構參見圖1-11。2）渦輪風扇發(fā)動機燃氣發(fā)生器出口的燃氣在低壓渦輪中進一步膨脹做功，用于帶動外涵道風扇，使外涵道氣流的噴射速度增大，剩下的可用能量繼續(xù)在噴管中轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥艢獾膭幽埽浣Y(jié)構見圖1-12。內(nèi)、外兩股氣流可分別排出，也可混合后一起排出。在燃氣發(fā)生器相同的情況下，渦輪風扇發(fā)動機的空氣流量大，排氣速度低，所以推進效率高，耗油率低，噪聲低。不加力的渦輪風扇發(fā)動機是高亞聲速旅客機和運輸機的理想動力；帶加力的渦輪風扇發(fā)動機則適用于超聲速軍用飛機。渦輪風扇發(fā)動機有多達3個轉(zhuǎn)子的。目前正在研究一種超聲速通流渦扇發(fā)

7、動機，其壓縮系統(tǒng)為超聲速通流級，即進口和出口軸向氣流速度均為超聲速的級。這種超聲速通流級的風扇或壓氣機的級壓比可達2.53.5。超聲速通流渦扇發(fā)動機可使渦扇發(fā)動機的適用飛行馬赫數(shù)提高到5。3）渦輪螺旋槳發(fā)動機靠動力渦輪把燃氣發(fā)生器出口燃氣中的大部分可用能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功率用以驅(qū)動空氣螺旋槳。由于螺旋槳轉(zhuǎn)速較低，動力渦輪與螺槳之間設有減速器。燃氣中剩下小部分可用能(約10%)在噴管中轉(zhuǎn)為氣流動能，直接產(chǎn)生推力，如圖1-13所示。渦輪螺旋槳發(fā)動機與活塞式發(fā)動機相比，具有重量輕、振動小等優(yōu)點；與渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機相比，則具有耗油率低和起飛推力大的優(yōu)點。受螺旋槳性能的限制，飛行速度一般不超過800k

8、m/h。因此，在大型遠程運輸機上，渦輪螺旋槳發(fā)動機已為渦輪風扇發(fā)動機所取代，但在中、小型運輸機和通用飛機上仍有廣泛用途。4）槳扇發(fā)動機槳扇發(fā)動機既可看作帶高速先進螺槳的渦槳發(fā)動機，又可看作除去外涵道的大涵道比渦扇發(fā)動機，因而兼有前者耗油率低和后者飛行速度高的優(yōu)點。槳扇發(fā)動機的關鍵部件是先進高速螺槳，它帶有多個寬弦、薄葉型的后掠槳葉，能在飛行馬赫數(shù)0.8下保持較高的效率。槳扇發(fā)動機的概念研究始于20世紀70年代中期。80年代后半期已完成地面和飛行驗證試驗，基本達到預期目標。由于航空公司的綜合經(jīng)濟因素和公眾接受心理等種種原因，槳扇發(fā)動機尚未進入實用階段。5）渦輪軸發(fā)動機其工作原理和結(jié)構與渦輪螺槳發(fā)

9、動機基本相同，只是燃氣發(fā)生器出口燃氣所含可用能量幾乎全部為動力渦輪吸收，由噴管流出的燃氣只產(chǎn)生很小的推力或根本不產(chǎn)生推力。其主要用途是驅(qū)動直升機的旋翼，也可用作地面動力。6）垂直/短距起降動力裝置垂直/短距起降動力裝置能為垂直/短距起降飛機提供等于、大于飛機起飛重量(垂直起降飛機)或略小于飛機起飛重量(短距起降飛機)的垂直推力(升力)，并為飛機提供水平飛行的推力。1.1.4航空燃氣發(fā)動機組成及工作原理1.活塞式發(fā)動機航空活塞式發(fā)動機是利用汽油與空氣混合，在密閉的容器(汽缸)內(nèi)燃燒，膨脹做功的機械?；钊桨l(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

10、能分割的。1)活塞式發(fā)動機的主要組成活塞式發(fā)動機主要由汽缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構、螺旋槳減速器、機匣等組成。2)四沖程活塞式發(fā)動機的工作原理(1)進氣沖程 發(fā)動機開始工作時，首先進入“進氣沖程”。汽缸頭上的進氣門打開，排氣門關閉，活塞從上死點向下滑到下死點為止。汽缸內(nèi)的容積逐漸增大，氣壓降低(低于外面的大氣壓)。于是新鮮的燃油和空氣的混合氣體通過打開的進氣門被吸入汽缸內(nèi)，當活塞運動到下死點時，進氣門關閉，進氣沖程結(jié)束。(2)壓縮沖程 在第一個沖程結(jié)束后，曲軸依靠慣性的作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點向上推動。這時進氣門和排氣門一樣都已經(jīng)關閉。汽缸內(nèi)的容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強烈壓縮。

11、當活塞運動到上死點時，混合氣體被壓縮在上死點和汽缸頭之間的狹小空間內(nèi)，這個小空間叫做“燃燒室”。這時，混合氣體的溫度也增加到400左右。(3)工作沖程 在壓縮沖程快結(jié)束時，此時活塞接近上死點，汽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，燃燒的時間很短，大約為0.015s，但是速度很快。氣體猛烈膨脹，壓強急劇增高，燃燒氣體的溫度接近2500?；钊谌細獾膹姶髩毫ψ饔孟?，向下死點迅速運動，推動連桿向下運動，連桿便帶動曲軸轉(zhuǎn)起來。這時汽油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成機械能，從而做功。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做準備的。(4)排氣沖程 工作沖程結(jié)束后

12、，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點向上運動。這時進氣門仍舊關閉而排氣門打開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。當活塞到達上死點時，絕大部分的廢氣已經(jīng)被排出。然后排氣門關閉，進氣門打開，活塞又從上死點下行，開始了新一輪的循環(huán)。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)而做功，這一總的過程叫做一個“循環(huán)”。這是一種周而復始的運動。由于其中包含著熱能到機械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫“熱循環(huán)”。發(fā)動機每進行一次循環(huán)，活塞往復兩次，經(jīng)過四個沖程，因此這種發(fā)動機被稱作四沖程發(fā)動機，也被叫做復式發(fā)動機。2.空氣噴氣發(fā)動機由于螺旋槳在高速飛行條件下阻力增大，尤其是在飛機接近聲速時，螺旋槳上各點

13、的速度基本上都達到或者超過聲速，這時在葉尖產(chǎn)生激波，使阻力大增。同時活塞式發(fā)動機在降低功率重量比上已接近極限，因此為了提高飛機的飛行速度，人們迫切需要一種新的動力裝置來取代活塞式發(fā)動機。于是噴氣式發(fā)動機脫穎而出，1939年在德國試飛了世界上第一架噴氣式飛機He178(見圖1-22)，從此人類進入了噴氣時代。航空燃料(航空煤油)在噴氣式發(fā)動機內(nèi)燃燒導致氣體膨脹后，膨脹的燃氣向后排出以產(chǎn)生巨大的作用力從而使飛機受到向前的推力。它分為兩大類，一類是自帶燃油和氧化劑的火箭發(fā)動機，它不依靠外界環(huán)境而是靠自身條件燃燒產(chǎn)生動力，這類發(fā)動機是航天飛行器的唯一動力形式；另一類是自帶燃油，但是依靠空氣中的氧氣進行燃燒，所以在大氣層內(nèi)飛行，被稱為空氣噴氣發(fā)動機，它是噴氣式航空器的主要動力形式。(1)渦輪噴氣發(fā)動機 渦輪噴氣發(fā)動機的基本組成渦輪噴氣發(fā)動機通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發(fā)動機的渦輪和尾噴管間