第1次課第1章航空燃氣渦輪發(fā)動機概述

航空燃氣渦輪發(fā)動機

原理與構造航空工程系張彥星

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qq號：1576148667第一章航空燃氣渦輪發(fā)動機概述

第一節(jié)航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展11概論

發(fā)動機是飛機上的動力裝置。自從人類嘗試進行有翼飛行器飛行以來，經歷了無數次失敗，只是在使用了活塞式內燃機以后，才在20世紀初把第一架飛機送上藍天。二戰(zhàn)后,由于噴氣發(fā)動機的迅速發(fā)展,活塞式發(fā)動機逐漸被淘汰。20世紀60年代，由于渦扇發(fā)動機的問世，大大降低了耗油率，才有可能設計制造成大型噴氣飛機，大幅度提高載重量和航程。燃氣渦輪發(fā)動機大大提高了戰(zhàn)斗機的性能，使其飛行速度達到2倍以上的音速。直到現在還被廣泛應用于各種類型的飛機上。1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展

從20世紀40年代末到21世紀初，與噴氣戰(zhàn)斗機的發(fā)展歷程類似，噴氣發(fā)動機的發(fā)展也大致經歷了四次更新?lián)Q代。第一代航空燃氣輪發(fā)動機20世紀40年代末到50年代中1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展第二代航空燃氣輪發(fā)動機20世紀50年代中使用到70年代1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展第三代典型發(fā)動機從1974年到21世紀初期，裝有第三代噴氣發(fā)動機的戰(zhàn)斗機都是戰(zhàn)斗機中的主力。1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展第四代典型發(fā)動機

第四代戰(zhàn)斗機要求發(fā)動機的推重比要在10以上，采用矢量推力噴管，有良好的隱身能力等。1.燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展16航空發(fā)動機是航空器飛行的動力，也是航空事業(yè)發(fā)展的推動力；航空發(fā)動機是飛機性能、可靠性和成本的決定性因素；航空發(fā)動機的發(fā)展對冶金、機械、電子、儀表等行業(yè)的發(fā)展具有重要的帶動和促進作用。2.航空發(fā)動機的作用17

3.航空發(fā)動機研究工作的特點

技術難度大一臺發(fā)動機內有十幾個部件和系統(tǒng)及數萬個零件。研制一種新的發(fā)動機需要1萬小時的整機試驗和10萬小時的部件和系統(tǒng)試驗。周期長先進發(fā)動機的研制周期為9-15年，F119從1986年開始到2005年投入使用，前后達19年。費用高F119的研制費用超過20億美元；發(fā)動機的研究和發(fā)展費用占航空總費用的1/4。18A性能要求，包括地面臺架性能和空中飛行性能（推力和耗油率）、起動性能、加減速性能、引氣量、功率提取和過載；

B適用性要求，包括發(fā)動機在飛行包線內穩(wěn)定工作和油門桿使用不受限制，加力接通、切斷不受限制，飛行狀態(tài)變化、極限機動狀態(tài)等時的發(fā)動機穩(wěn)定工作；

C結構和安裝要求，包括安裝節(jié)位置、外廓尺寸、重量和重心位置；

4.軍用發(fā)動機設計要求19

D可靠性要求包括發(fā)動機壽命和工作循環(huán)、發(fā)動機各狀態(tài)連續(xù)工作時間和平均故障時間；E維修性要求，包括發(fā)動機外場可更換件的更換時間、每飛行小時的平均維修工時和更換發(fā)動機時間等；

F其他要求，如滿足飛機隱身要求的紅外信號和雷達反射特性以及飛行控制的矢量推力。4.軍用發(fā)動機設計要求20A起飛推力和推重比，要滿足要求；

B巡航耗油率，盡可能低；

C發(fā)動機結構和安裝，包括安裝節(jié)位置、外廓尺寸、重量和重心位置；

D可靠性、壽命和維修性，包括空中停車率、航班準點率、計劃外返修率、機上壽命和每飛行小時維修工時等；E污染物排放，滿足機場當地環(huán)保部門的規(guī)定；

F噪聲，滿足國際民航組織（ICAO）的規(guī)定。5.民用發(fā)動機設計要求21在過去的一個航空百年里，人類所使用的主要的航空發(fā)動機，可分為兩大類:1、活塞式發(fā)動機冷卻方式（液冷式、氣冷式）。氣缸排列方式(星形、V形、直列式、對列式、X形)2、空氣噴氣式發(fā)動機無壓氣機（沖壓式發(fā)動機、脈動式發(fā)動機）。有壓氣機（渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機、漿扇發(fā)動機）。第二節(jié)航空發(fā)動機分類第二節(jié)航空發(fā)動機分類（一）火箭發(fā)動機特點：自己攜帶燃料和氧化劑，靠燃燒壓縮工質。分類：固體燃料、液體燃料、混合燃料（二）空氣噴氣發(fā)動機空氣噴氣發(fā)動機：利用空氣中的氧氣與燃料進行混合燃燒，作為工質的動力裝置。分類：無壓氣機的發(fā)動機（沖壓噴氣發(fā)動機）

有壓氣機的發(fā)動機（燃氣渦輪發(fā)動機）發(fā)動機：將燃油燃燒釋放出的熱能轉變?yōu)闄C械能的裝置。噴氣發(fā)動機：把燃料的化學能轉化為發(fā)動機高速噴出燃氣的動能，從而獲得反作用力，推進飛行器飛行的發(fā)動機。1)、無壓氣機的發(fā)動機分類：沖壓式發(fā)動機、脈沖式發(fā)動機。沖壓式發(fā)動機：在起飛時推力為零，低速時性能不好；適用于靶彈、巡航導彈。脈沖式發(fā)動機：通過燃燒室前面的單向活門，空氣和燃料間歇地供入燃燒室，主要用于低速靶機和航模飛機。2)、燃氣渦輪發(fā)動機

燃氣渦輪發(fā)動機的四種基本類型：渦輪噴氣發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機渦輪螺旋漿發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機（1）渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機結構（1）渦輪噴氣發(fā)動機空氣/燃氣進入壓縮燃燒排氣（1）渦輪噴氣發(fā)動機主要部件：進氣裝置、壓氣機，燃燒室，燃氣渦輪，尾噴管,(加力燃燒室)特點：(1)渦輪只帶動壓氣機壓縮空氣。(2)發(fā)動機的全部推力來自高速噴出的燃氣所產生的反作用力。（1）渦輪噴氣發(fā)動機燃氣渦輪噴氣發(fā)動機

燃氣發(fā)生器后的燃氣可用能全部用來在噴管內繼續(xù)膨脹,加速燃氣,提高燃氣的速度,使燃氣以較高的速度噴出,產生推力。航空燃氣渦輪噴氣發(fā)動機既是熱機又是推進器與航空活塞發(fā)動機相比

結構簡單,重量輕,推力大,推進效率高在很大的飛行速度范圍內,發(fā)動機的推力隨飛行速度的增加而增加

（2）渦輪風扇發(fā)動機（內外涵發(fā)動機）涵道比：外涵道空氣流量/內涵道空氣流量高涵道比渦扇發(fā)動機低涵道比渦扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機

由進氣道,

低壓壓氣機,高壓壓氣機,燃燒室,高壓渦輪,低壓渦輪,噴管,風扇和外涵道組成

渦扇發(fā)動機推力：內、外涵道氣流反作用力的總和。優(yōu)點：燃料使用效率高，噪聲小，能獲得較大加力比。（3）渦輪螺旋漿發(fā)動機（3）渦輪螺旋漿發(fā)動機英國“子爵號”四發(fā)旅客機用的“達特”渦輪螺旋槳發(fā)動機為定軸式渦輪螺旋槳發(fā)動機41

（3）渦輪螺旋漿發(fā)動機主要部件：螺旋槳、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、尾噴管、減速器。特點：

渦輪不僅帶動壓氣機壓縮空氣，還帶動螺漿產生拉力。發(fā)動機推力來自兩個部分，一部分是由高速噴出的燃氣所產生的反作用力（10%），一部分渦輪帶動螺漿產生前進的拉力（90%）。

渦輪螺旋槳發(fā)動機

由燃氣渦輪發(fā)動機和螺旋槳組成,在它們之間還安排了一個減速器

渦輪螺旋槳發(fā)動機的工作原理

螺旋槳產生拉力

氣體流過發(fā)動機時產生反作用推力在較低的飛行速度下,具有較高的推進效率,所以它在低亞音速飛行時的經濟性較好

適用于低空低速的運輸機和民航機定軸式：具有大減速臂的減速器（黑色部分）大大增加了發(fā)動機的重量自由渦輪式：自由渦輪轉速較低，可以采用小減速比的減速器來減輕發(fā)動機的重量渦輪螺旋漿發(fā)動機特點：推力主要靠螺旋漿產生的拉力，燃氣中剩下的很少能量在尾噴管中膨脹，產生一小部分推力（約10％）（4）渦輪軸發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機

主要部件：進氣道、壓氣機、燃燒室、動力渦輪、自由渦輪、尾噴管。渦輪軸發(fā)動機

燃氣發(fā)生器后的燃氣可用能全部用于驅動動力渦輪而不在噴管內膨脹產生推力

動力渦輪軸上輸出的功率可以用來帶動直升機的旋翼

渦輪軸發(fā)動機與渦槳發(fā)動機的不同之處：燃氣幾乎全部在動力渦輪中膨脹，由尾噴管排出時，氣流速度較低。（5）槳扇發(fā)動機螺槳風扇發(fā)動機是一種介于渦扇發(fā)動機和渦槳發(fā)動機之間的一種發(fā)動機形式。它既可看作帶除去外涵道的大涵道比渦扇發(fā)動機，又可看作高速先進螺槳的渦槳發(fā)動機，因而兼有前者飛行速度高和后者耗油率低的優(yōu)點。目前正處于研究和實驗階段。（5）槳扇發(fā)動機槳扇發(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0.8下保持較高的效率，見圖1－6。槳扇由渦輪驅動，無涵道外殼，裝有減速器，從這些來看它有一點象螺旋槳；但是它的直徑比普通螺旋槳小，葉片數目也多（一般有6-8葉），葉片又薄又寬，而且前緣后掠，這些又有些類似于風扇葉片。

（6）升力/推進發(fā)動機（用于垂直/短距起落飛機）

Lift/Propulsionengine(forVTOL/STOLaircraft)（6）

升力/推進發(fā)動機（用于垂直/短距起落飛機）

Lift/Propulsionengine(forVTOL/STOLaircraft)小結燃氣發(fā)生器壓氣機、燃燒室、渦輪統(tǒng)稱為燃氣發(fā)生器。產生高溫高壓燃氣又稱為發(fā)動機的核心機核心機它完成了發(fā)動機將熱能轉變?yōu)闄C械能的工作；對燃氣發(fā)生器所獲得的機械能進行不同的分配（增添不同的部件），就形成不同型式的發(fā)動機；渦槳發(fā)動機的螺旋槳，渦扇發(fā)動機的風扇，渦軸發(fā)動機的懸翼的軀動力都來自燃氣發(fā)生器。燃氣渦輪發(fā)動機其他分類（P4）民航方面的情況(p5)第三節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機的主要性能參數

對于評判高性能發(fā)動機的指標，最常用的有推力、推重比、發(fā)動機效率和燃油消耗率，還有加速性能、工作穩(wěn)定性、環(huán)境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發(fā)動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。但對于軍用航空發(fā)動機而言，推重比、可靠性、工作穩(wěn)定性和燃油消耗率是最重要的4個指標。第三節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機的

主要性能參數1、推力：航空發(fā)動機的最重要參數。推力大小反映了發(fā)動機的做功能力。單位：中國：牛頓（N）或大牛（daN）1daN=10N;俄羅斯：千克（㎏）美歐：磅（Pd）1Pd=0.4536㎏2、推重比：發(fā)動機產生的推力和自身重量的比值；這是航空發(fā)動機最重要的性能指標，因為它直接影響到飛機的最大飛行速度、升限、任務載荷和機動性。高推重比是航空發(fā)動機研制不懈追求的目標，是最常見、最重要的指標。第三節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機的

主要性能參數3、燃油消耗率：單位時間內產生單位推力或功率所消耗的燃油質量；減少燃油消耗率對于減輕飛機起飛重量十分重要。4、增壓比：壓氣機出口壓力與進口壓力之比稱為增壓比。渦輪噴氣發(fā)動機的增壓比,通常是指經過壓氣機壓縮以后的空氣壓力,即壓氣機后的壓力與大氣壓之比。5、渦輪前燃氣溫度：渦輪進口溫度關系到發(fā)動機膨脹做功能力，對渦輪材料耐溫能力和冷卻技術的直觀反映。第三節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機的

主要性能參數6、涵道比：渦輪風扇發(fā)動機又稱內外涵發(fā)動機，它在普通的渦輪噴氣發(fā)動機的基礎上加裝了由渦輪帶動的風扇和一個外涵道。這種發(fā)動工作的特點是：空氣分兩路進入發(fā)動機，一路通過內涵道（核心發(fā)動機），另一路進入外涵道，兩路氣流通過各自的噴管或在混合室內摻混后通過共同噴管排出，產生推力。與渦輪噴氣發(fā)動機相比，渦輪風扇發(fā)動機具有更大的空氣流量和較低的噴管噴射速度，因而推進效率及經濟性等都顯著提高。外涵道與內涵道空氣質