《固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)》課件-課程教案14-第十四章 航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置 11-18

固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)教師年級(jí)授課時(shí)間教學(xué)內(nèi)容第十四章航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置授課類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)講授學(xué)情分析教材分析教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能掌握燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理掌握渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造了解典型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)了解性能指標(biāo)與特性掌握燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)過(guò)程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書(shū)指導(dǎo)法5、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法6、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法7、自主學(xué)習(xí)法教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理（概述，渦輪推力產(chǎn)生原理，工作過(guò)程）渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造（部件原理與構(gòu)造，整體結(jié)構(gòu)）性能指標(biāo)與特性（發(fā)動(dòng)機(jī)推力計(jì)算，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，性能影響因素分析，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性）燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)（空氣系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)，啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，輔助動(dòng)力裝置（APU））教學(xué)難點(diǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理（概述，渦輪推力產(chǎn)生原理，工作過(guò)程）渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造（部件原理與構(gòu)造，整體結(jié)構(gòu)）性能指標(biāo)與特性（發(fā)動(dòng)機(jī)推力計(jì)算，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，性能影響因素分析，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性）知識(shí)框架圖教學(xué)過(guò)程主備從備（教師姓名）[課堂引入]引入：這一部分首先讓大家對(duì)航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置有個(gè)整體了解，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理，構(gòu)造，性能指標(biāo)與特性，工作系統(tǒng)等等。[教學(xué)內(nèi)容]航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置思考：航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)常用類(lèi)型有哪些？作為熱機(jī)工作原理是否相同？作為推進(jìn)器又有何不同？不同類(lèi)型的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)都有的部件是哪些？為什么渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的低速推力大，耗油率低？隨涵道比增加，這種趨勢(shì)如何變化？軸流壓氣機(jī)和離心壓氣機(jī)性能各有何特點(diǎn)，為何小發(fā)動(dòng)機(jī)常用離心壓氣機(jī)？渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能差別有哪些？渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)別是什么？渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有哪些節(jié)流狀態(tài)，推力和耗油率隨轉(zhuǎn)速如何變化？渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨飛行高度變化如何變化？14.1基本原理14.1.1燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)概述航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要功能也是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此仍然是熱機(jī)。在熱機(jī)功能的基礎(chǔ)上，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以利用尾噴管、風(fēng)扇、螺旋槳及旋翼等部件產(chǎn)生推力或升力。主流航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)均有壓氣機(jī)增壓，類(lèi)型可分為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)等類(lèi)型（圖14-1）。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)都有壓氣機(jī)、渦輪和燃燒室，這三者都是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中最為關(guān)鍵的部件，合稱(chēng)燃?xì)獍l(fā)生器。壓氣機(jī)和渦輪均為葉輪機(jī)械并以軸相連，構(gòu)成高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（TurbojetEngine，簡(jiǎn)稱(chēng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)），如圖14-2所示。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是最基礎(chǔ)的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，除壓氣機(jī)、渦輪和燃燒室外，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件還包括進(jìn)氣道和尾噴管，形成了從能量轉(zhuǎn)化到推力產(chǎn)生的完整裝置，因此渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)既是熱機(jī)又是推進(jìn)器。14.1.2渦噴推力產(chǎn)生原理渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力產(chǎn)生基本原理非常簡(jiǎn)單，用中學(xué)物理里面的牛頓第三定律就可以解釋?zhuān)毫鹘?jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流受到力的作用產(chǎn)生加速度，氣流必定產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)反作用力就是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力（thrust）。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣體在各個(gè)部件表面上作用力的合力。但是，氣體在各個(gè)部件上作用力的軸向分力并不都是與推力方向相同的（如圖14-3）。14.1.3工作過(guò)程渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，空氣流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件，直至變成燃?xì)鈴奈矅姽車(chē)姵觥Ｔ撨^(guò)程持續(xù)不斷進(jìn)行，空氣狀態(tài)和參數(shù)也在不斷變化，單軸渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中氣流速度c、壓力p和溫度T的變化示意圖如圖14-4所示。為了分析方便，對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件進(jìn)、出口截面進(jìn)行了劃分，如圖14-5所示，截面編號(hào)也是稱(chēng)發(fā)動(dòng)機(jī)的站位（station）?？諝饬鹘?jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)截面變化過(guò)程如下。（1）0-2：空氣自無(wú)限遠(yuǎn)處流經(jīng)進(jìn)氣道，進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口2截面。在該過(guò)程中，氣流經(jīng)歷減速增壓過(guò)程，將相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為空氣壓力。該過(guò)程對(duì)應(yīng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣行程。（2）2-3：空氣流經(jīng)壓氣機(jī)，進(jìn)入燃燒室進(jìn)口3截面，該過(guò)程中壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)氣流做功壓縮空氣，至3截面氣流的壓力、溫度都大大增加，為后續(xù)的膨脹做功蓄積能量。該過(guò)程對(duì)應(yīng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程。（3）3-4：經(jīng)過(guò)壓縮之后的空氣在燃燒室中和燃油混合燃燒。與內(nèi)燃機(jī)中增壓燃燒不同，該過(guò)程中氣流壓力基本不變，溫度大大提高，為后續(xù)做功提供所需熱能。（4）4-5：高溫高壓的燃?xì)庾?截面流入渦輪，在渦輪中膨脹，將部分熱能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，通過(guò)軸提供給壓氣機(jī)對(duì)空氣做功，維持壓氣機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，從該意義上講渦輪類(lèi)似單缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的蓄能飛輪。（5）5-8：推動(dòng)渦輪后，渦輪出口5截面的燃?xì)膺€剩余較多能量，在尾噴管中燃?xì)膺M(jìn)一步膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能，自8截面高速?lài)姵?，產(chǎn)生推力。該過(guò)程對(duì)應(yīng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功的過(guò)程。（6）8截面之后：排出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈱⒆陨頉](méi)有利用完的熱能釋放到大氣中。該過(guò)程對(duì)應(yīng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣行程。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是原理和結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理也是其他航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基礎(chǔ)。從氣流變化來(lái)看，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣（燃?xì)猓┙?jīng)歷的熱力學(xué)過(guò)程和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中類(lèi)似，但渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)部件做功形式不同。14.2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管等部件構(gòu)成，這些部件也是渦扇、渦槳、渦軸等發(fā)動(dòng)機(jī)的共有部件，在此首先介紹部件原理和結(jié)構(gòu)，然后再介紹渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)和材料等。14.2.1部件原理與結(jié)構(gòu)（一）進(jìn)氣道進(jìn)氣道的功能是在損失盡量小的前提下將空氣減速、增壓并引入到壓氣機(jī)。進(jìn)氣道按照飛行條件不同可以分為亞聲速進(jìn)氣道和超聲速進(jìn)氣道，如圖14-6所示。圖中0為自由大氣狀態(tài)，2為進(jìn)氣道出口截面，飛行過(guò)程中該截面相對(duì)0截面速度降低，壓力增加。按照氣體流動(dòng)的原理，亞聲速氣流利用擴(kuò)張型通道進(jìn)行減速增壓，其流動(dòng)損失小，適應(yīng)范圍寬。超聲速進(jìn)氣道主要利用激波（shockwave）對(duì)超聲速氣流進(jìn)行減速增壓，存在“斜激波+正激波”構(gòu)成的組合激波系，一般用于超聲速飛機(jī)。（二）壓氣機(jī)壓氣機(jī)主要功能是將經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道的空氣進(jìn)一步壓縮，提升壓力和溫度，便于在渦輪和尾噴管中的膨脹做功。壓氣機(jī)是航空燃?xì)廨啓C(jī)中數(shù)量最多的葉輪機(jī)械，按照氣流方向和工作原理不同，壓氣機(jī)可以分為軸流式壓氣機(jī)和離心式壓氣機(jī)兩個(gè)基本類(lèi)型，有的航空燃?xì)廨啓C(jī)還使用由軸流和離心壓氣機(jī)組成的混合壓氣機(jī)，如圖14-8所示。（1）軸流式壓氣機(jī)軸流壓氣機(jī)中空氣流動(dòng)方向和壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)軸方向基本一致，氣流通道由間隔排列的轉(zhuǎn)子葉片以及對(duì)應(yīng)的靜子葉片構(gòu)成，如圖14-9所示，“一排轉(zhuǎn)子葉片＋一排靜子葉片”構(gòu)成一級(jí)，每一級(jí)壓氣機(jī)中“轉(zhuǎn)子在前，靜子在后”。軸流式壓氣機(jī)的氣流通道是逐漸減小的收斂型的。工作過(guò)程中轉(zhuǎn)子葉片類(lèi)似日常生活中的電風(fēng)扇葉片，驅(qū)動(dòng)空氣沿旋轉(zhuǎn)軸線方向加速流動(dòng)，同時(shí)增加其壓力；靜子葉片形成減速通道，將轉(zhuǎn)子增加的氣流動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氣流壓力。壓氣機(jī)中只有轉(zhuǎn)子對(duì)氣流做功，轉(zhuǎn)子葉片對(duì)氣流的做功能力和葉片的切線速度直接相關(guān)，因此壓氣機(jī)均具有較高的轉(zhuǎn)速，并且尺寸小的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速更高。氣流經(jīng)過(guò)一級(jí)壓氣機(jī)之后的壓力增加相對(duì)較小，級(jí)增壓比在1.2～1.8之間，要獲得較大的壓力提升需要較多的壓氣機(jī)級(jí)，即需要“多級(jí)軸流壓氣機(jī)”，圖14-9中為帶有導(dǎo)流葉片的4級(jí)壓氣機(jī)。為衡量壓氣機(jī)增壓能力，將壓氣機(jī)出口、進(jìn)口氣流總的壓力之比定義為壓氣機(jī)的增壓比。為衡量壓氣機(jī)的能量利用率，將理想情況下所需要的壓縮功和實(shí)際消耗機(jī)械功之比定義為壓氣機(jī)效率。（2）離心壓氣機(jī)離心壓氣機(jī)主要包含葉輪和對(duì)氣流減速增壓的擴(kuò)壓器，如圖14-13。空氣流動(dòng)方向沿葉輪徑向向外，并隨葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，其切線速度將不斷增加；氣體所受離心力不斷提高其壓力，由這兩方面因素共同作用，離心壓氣機(jī)一級(jí)的級(jí)增壓能力（4～6）相對(duì)軸流壓氣機(jī)大得多?，F(xiàn)代離心壓氣機(jī)最高級(jí)增壓比已超過(guò)10。離心壓氣機(jī)主要包括進(jìn)氣裝置、離心葉輪、擴(kuò)壓器以及包容這些部件的機(jī)匣等結(jié)構(gòu)，如圖14-14所示。離心壓氣機(jī)整體結(jié)構(gòu)相比軸流壓氣機(jī)簡(jiǎn)單，高速葉輪常采用整體葉輪形式，工藝性也較好。隨離心壓氣機(jī)性能的提高，葉輪多采用大小葉片技術(shù)，并具有和高速葉輪配合使用超聲速擴(kuò)壓器。（三）燃燒室渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的主要功能是將增壓后的空氣進(jìn)一步加熱，提升溫度，增加其做功能力。燃燒室包括內(nèi)外機(jī)匣、擴(kuò)壓器、火焰筒、旋流器以及燃油噴嘴等部件，其工作圍繞穩(wěn)定火焰，實(shí)現(xiàn)高效燃燒進(jìn)行。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室有三種基本結(jié)構(gòu)形式：分管燃燒室、環(huán)管燃燒室和環(huán)形燃燒室。分管燃燒室由多個(gè)（一般是8～16個(gè)）單管燃燒室組成（圖14-16）。它們之間靠聯(lián)焰管連接，起傳播火焰和均壓的作用。每一個(gè)單管燃燒室均有一個(gè)火焰筒，圍繞它的是機(jī)匣。單管燃燒室包括內(nèi)外機(jī)匣、擴(kuò)壓器、火焰筒、燃油噴嘴、點(diǎn)火器等構(gòu)件，如圖14-16所示。其中火焰筒是組織氣流燃燒的關(guān)鍵部件，為多孔的筒狀薄壁結(jié)構(gòu)。其頭部安裝有葉輪狀的旋流器，燃油噴嘴安裝在旋流器中心，點(diǎn)火器常用高能電點(diǎn)火裝置并安裝在火焰筒頭部利于點(diǎn)火的部位，如圖14-17所示。典型的聯(lián)管燃燒室如圖14-18所示，可以看出，聯(lián)管燃燒室也是有單獨(dú)的火焰筒。但是這些火焰筒被包容在一個(gè)共同的環(huán)形通道里。聯(lián)管燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，外殼可傳遞扭矩，因而有利于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，而它的火焰筒與單管燃燒室相似，因而對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)試仍較方便。典型的環(huán)形燃燒室如圖14-19所示，它是由四個(gè)同心的圓筒組成，最內(nèi)、最外的兩個(gè)圓筒為燃燒室的內(nèi)、外殼體，中間兩個(gè)圓筒所形成的通道為火焰筒?；鹧嫱驳念^部裝有一圈燃油噴嘴和火焰穩(wěn)定裝置。環(huán)形燃燒室的氣流通道與壓氣機(jī)出口和渦輪進(jìn)口的環(huán)形氣流通道可以有很好的氣動(dòng)配合，因而可以減少流動(dòng)損失，而且還能得到較均勻的出口周向溫度場(chǎng)。環(huán)形燃燒室的空間利用率最高，迎風(fēng)面各最小，這有利于減輕重量。雖然有較多優(yōu)點(diǎn)，但是環(huán)形燃燒室的缺點(diǎn)也比較明顯。首先是沿圓周均勻分布的各個(gè)離心噴嘴噴油所形成的燃油分布和環(huán)形通道的進(jìn)氣不易配合好。其次，環(huán)形燃燒室的設(shè)計(jì)調(diào)試比較困難，需要有大型的氣源設(shè)備。當(dāng)然由于僅有一個(gè)環(huán)形火焰筒，在使用中裝拆維護(hù)也比較復(fù)雜。燃燒室的污染排放物包括：一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌║HC）、氮氧化物（NOx）和冒煙等4種燃燒產(chǎn)物，目前除氮氧化物以外，其他排放物指標(biāo)已相當(dāng)?shù)?，為了消除和減少NOx的產(chǎn)生，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工作下使燃燒室盡可能降低高溫空氣的溫度，可通過(guò)限制參與燃燒的高溫空氣量或降低燃燒室溫度來(lái)達(dá)到。目前，世界上各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商用于大型先進(jìn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室技術(shù)各不相同。（四）渦輪渦輪（舊稱(chēng)“透平”）是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中將燃?xì)饽芰哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，渦輪絕大數(shù)是軸流渦輪。和軸流壓氣機(jī)類(lèi)似，渦輪也是動(dòng)、靜葉片交錯(cuò)排列，但靜子在前，轉(zhuǎn)子在后。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中通過(guò)渦輪獲得的機(jī)械能主要帶動(dòng)壓氣機(jī)和附件系統(tǒng)，渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪還通過(guò)減速器帶動(dòng)螺旋槳和旋翼。渦輪工作原理如圖14-20所示，渦輪靜子、轉(zhuǎn)子通常也稱(chēng)為導(dǎo)向器和工作輪。和壓氣機(jī)逆壓流動(dòng)條件不同，燃?xì)庠跍u輪中是順壓流動(dòng)。在導(dǎo)向器中燃?xì)馀蛎?，溫度壓力降低，燃?xì)猥@得極大的速度。而后燃?xì)鈿饬髟诠ぷ鬏喼懈咚贈(zèng)_擊工作輪葉片，并在葉片通道中大范圍轉(zhuǎn)彎；高溫高壓燃?xì)庠诠ぷ鬏喼羞€會(huì)進(jìn)一步膨脹，以上兩方面的氣動(dòng)力作用在工作輪葉片上形成極大力矩，從而獲得很高的機(jī)械功率。渦輪分為徑向式和軸流式兩種。徑向式渦輪一般與離心式壓氣機(jī)配合使用，總是單級(jí)，主要用于小功率的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)；而軸流式渦輪一般與軸流式壓氣機(jī)配合使用，主要用于大型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪由靜子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，渦輪靜子又稱(chēng)渦輪導(dǎo)向器，渦輪轉(zhuǎn)子又稱(chēng)渦輪工作輪。類(lèi)似于壓氣機(jī)，一排靜子葉片和一排轉(zhuǎn)子葉片組成渦輪的一個(gè)級(jí)。如CFM56-3渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)有5級(jí)渦輪，包含1級(jí)高壓渦輪（HP）和4級(jí)低壓渦輪（LP）；PW4000渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)有7級(jí)渦輪（2HP，5LP）。由于氣體通過(guò)渦輪膨脹作功，氣體比容增大，密度減小，因而渦輪的氣流通道截面是逐漸增大的，呈擴(kuò)張形。（五）尾噴管渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管主要功能是將燃?xì)饧铀倥懦?，產(chǎn)生推力。尾噴管具有二維與軸對(duì)稱(chēng)、管道與塞式、對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)等不同形式，但從氣動(dòng)工作原理來(lái)講主要分為收斂噴管（convergentnozzles）和收擴(kuò)噴管（也稱(chēng)拉瓦爾噴管，Lavalnozzle）兩大類(lèi)，如圖14-26所示。按照氣動(dòng)原理，收斂式尾噴管最多能將燃?xì)饧铀俚铰曀?，因此用在尾噴管入口燃?xì)鈮毫Σ皇呛芨叩陌l(fā)動(dòng)機(jī)中，例如部分渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。收擴(kuò)尾噴管在燃?xì)獾膲毫ψ銐蚋叩臈l件下可以將燃?xì)饧铀俚匠曀俚臓顟B(tài)，因此常用于燃?xì)鈮毫^高的發(fā)動(dòng)機(jī)上，以獲得盡可能大的推力，例如軍用低涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。最簡(jiǎn)單的尾噴管形式是由排氣管和噴口兩部分來(lái)組成的，如圖14-27所示，排氣管位于渦輪與噴口之間。使從渦輪出來(lái)的燃?xì)鈴沫h(huán)形通道過(guò)渡到實(shí)心通道，為了避免渦輪盤(pán)后的渦流損失，而要增加整流錐。整流錐靠整流支板固定在排氣管內(nèi)。整流支板一般做成對(duì)稱(chēng)葉型，起半級(jí)渦輪作用，以保證燃?xì)廨S向排出，減少推力損失。它一般為空心結(jié)構(gòu)，測(cè)量排氣壓力或溫度的探頭會(huì)安裝在內(nèi)部，一些油管路也要穿過(guò)其到達(dá)軸承腔。14.2.2渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件需要以一定的結(jié)構(gòu)形式組合在一起才能完成發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，為此發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)還包括如下功能結(jié)構(gòu)。（1）轉(zhuǎn)子的連接結(jié)構(gòu)主要是壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子（軸）連接結(jié)構(gòu)，如圖14-30中的5。常采用剛性或柔性的聯(lián)軸器連接壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子，以保證工作可靠和制造、維修工藝的便捷。（2）轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)就是將轉(zhuǎn)子可靠支撐的軸承結(jié)構(gòu)，如圖14-30中的3和6。長(zhǎng)度小的轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)軸承，長(zhǎng)度大的采用3個(gè)軸承。為了保證傳遞載荷，并使轉(zhuǎn)子有熱脹冷縮的余地，每個(gè)轉(zhuǎn)子上只有一個(gè)可以傳遞軸向力的軸承，即推力軸承，如圖14-30中的3；另一個(gè)軸承為允許軸有一定軸向位移的滑動(dòng)軸承，如圖14-30中的6。（3）靜子傳力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的力傳遞到軸承最后傳給發(fā)動(dòng)機(jī)靜子機(jī)匣，其他部件的力也將通過(guò)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等機(jī)匣傳遞給外機(jī)匣。外機(jī)匣再通過(guò)安裝節(jié)點(diǎn)傳遞給飛機(jī)。為保證各個(gè)部件傳遞力路徑盡可能短，主傳力安裝點(diǎn)一般在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后部，并設(shè)置若干輔助安裝點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)最終通過(guò)安裝節(jié)點(diǎn)安裝到飛機(jī)上，如圖14-32。14.3典型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)14.3.1渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是指由噴管?chē)娚涑龅娜細(xì)馀c風(fēng)扇排出的空氣共同產(chǎn)生反作用推力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而成。目前應(yīng)用最為廣泛的兩種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)分別是混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖14-33和圖14-34）。將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和圖14-1中的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比最大的不同在于：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)都具有兩個(gè)流動(dòng)通道，相比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)多了一個(gè)外部通道，即外涵道。外涵道中無(wú)燃燒室和渦輪；而對(duì)應(yīng)渦噴的流道稱(chēng)為內(nèi)涵道，有燃燒室和渦輪。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所謂的風(fēng)扇可以認(rèn)為就是空氣分流之前的低壓壓氣機(jī)。一、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作原理渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)僅內(nèi)涵道有燃燒室和壓氣機(jī)，氣流在內(nèi)涵道完成熱力循環(huán)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的原理和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是基本一致的。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)也是依靠尾噴管加速氣流獲得反推力，其推進(jìn)的基本原理也和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一致。外涵氣流僅僅參與推進(jìn)，分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力是外涵推力和內(nèi)涵推力之和。混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于氣流由同一尾噴管排出，其推力產(chǎn)生形式和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力和經(jīng)濟(jì)性的改善來(lái)自于參與推進(jìn)工質(zhì)質(zhì)量的增加，即所謂的“質(zhì)量附加原理”。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)完成熱力循環(huán)獲得的功相同的情況下，參與推進(jìn)的工質(zhì)越多，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和經(jīng)濟(jì)性改善越明顯。為衡量附加質(zhì)量增加的程度，定義渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比（bypassratio）為：（14-1）式中和分別為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道和內(nèi)涵道空氣的質(zhì)量流量。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比大小和發(fā)動(dòng)機(jī)形式、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍密切相關(guān)。（1）對(duì)排氣方式的影響低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，單位質(zhì)量的外涵道氣流可以獲得更多的能量，因此低涵道比對(duì)應(yīng)著高的外涵道增壓比，風(fēng)扇的級(jí)數(shù)較多。一般當(dāng)涵道比小于1時(shí)，外涵氣流壓力高，可以通過(guò)混合器流入內(nèi)涵，利用內(nèi)涵氣流加熱，并通過(guò)同一尾噴管排出，獲得更大的單位推力水平。高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，單位質(zhì)量的外涵道氣流獲得的能量相對(duì)低，風(fēng)扇的級(jí)數(shù)少，外涵氣流壓力低；同時(shí)內(nèi)涵能量剩余少，內(nèi)外涵氣流無(wú)混合必要，因此采用分別排氣的推進(jìn)形式，獲得更大的總推力。以上原理可參考圖14-33和圖14-34，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)可參考圖14-35、圖14-36。（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)利用質(zhì)量附加原理改善發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和經(jīng)濟(jì)性，因此渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有直接影響。為此將涵道比超過(guò)4的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)稱(chēng)為高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，小于4的稱(chēng)為低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。圖14-35中的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)和圖14-36中F110發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的核心機(jī)，選擇不同的涵道比，搭配不同的低壓轉(zhuǎn)子獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)性能也不同。CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比6.6，為典型單級(jí)風(fēng)扇的高涵道比分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力大，亞聲速經(jīng)濟(jì)性好，但高速性能不足，不具備超聲速飛行能力，因此該發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛用于波音737、空客A320等客機(jī)的動(dòng)力裝置。對(duì)于多軸的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言。在發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)和內(nèi)涵工作參數(shù)一致的條件下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)低速推力越大、經(jīng)濟(jì)性越好，但高速飛行的性能降低。民航客機(jī)以經(jīng)濟(jì)性為重要指標(biāo)，為此新研制的LEAP（新型737、我國(guó)C919等客機(jī)的動(dòng)力裝置）以及PW1000G（A320NEO飛機(jī)動(dòng)力裝置）等發(fā)動(dòng)機(jī)沿用了增加涵道比改善經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)路線，其涵道比均超過(guò)了10。二、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有外涵道，多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)不止一個(gè)轉(zhuǎn)子，所以發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)原理和整體構(gòu)成原理和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，在此不詳細(xì)討論。僅介紹分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不同于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和外涵道民航客機(jī)采用的大推力高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)著高的空氣流量和大的風(fēng)扇尺寸，為減輕重量風(fēng)扇均為無(wú)進(jìn)口導(dǎo)流葉片的寬葉片，并廣泛采用高性能輕質(zhì)合金、復(fù)合材料、空心結(jié)構(gòu)作為葉片材料，以減輕重量并提高氣動(dòng)性能（圖14-37）。為了有足夠高的熱機(jī)效率，渦扇核心機(jī)轉(zhuǎn)速都在10000轉(zhuǎn)/分鐘以上；風(fēng)扇盡管轉(zhuǎn)速低，但葉片尺寸大，并有撞鳥(niǎo)和吸入外來(lái)物的危險(xiǎn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂并飛出機(jī)匣發(fā)生所謂的“非包容性破壞”，就可能引發(fā)客機(jī)災(zāi)難性事故。為此，客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣往往采用高強(qiáng)度防彈材料加強(qiáng)，以保證發(fā)生事故時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生非包容性的破壞。（四）發(fā)動(dòng)機(jī)部件匹配工作渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件匹配原理和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致，對(duì)于混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要內(nèi)、外涵混合，風(fēng)扇后的壓力基本和內(nèi)涵渦輪后壓力相等；分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為減小排氣損失，內(nèi)外涵的排氣速度或排氣總壓會(huì)相等。為緩解這一矛盾，高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般為多轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，圖14-38為三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，但這會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)軸系復(fù)雜性和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。雙轉(zhuǎn)子的高涵道發(fā)動(dòng)機(jī)往往將圖中1和2號(hào)轉(zhuǎn)子合并，并增加低壓渦輪尺寸，保證核心機(jī)效率，并緩解渦輪和風(fēng)扇之間工作轉(zhuǎn)速的矛盾。14.3.2渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴、渦扇以噴氣產(chǎn)生推力不同，渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要利用螺旋槳和旋翼產(chǎn)生動(dòng)力，是間接產(chǎn)生動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。渦槳可以看作涵道比接近20的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量的涵道比更大。因此兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的低速推力相對(duì)渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)更大，短程運(yùn)輸機(jī)采用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也更好。以上兩種發(fā)動(dòng)機(jī)高速飛行性能相對(duì)高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)都要弱，其根本原因在于發(fā)動(dòng)機(jī)使用了螺旋槳或旋翼作為動(dòng)力產(chǎn)生裝置。（一）工作原理螺旋槳是以增速為主要做功形式的開(kāi)式轉(zhuǎn)子機(jī)械，高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所用的風(fēng)扇是涵道式的閉式轉(zhuǎn)子。涵道風(fēng)扇對(duì)空氣的做功包含增速和增壓兩種方式，加上發(fā)動(dòng)機(jī)前部有進(jìn)氣道對(duì)來(lái)流的減速增壓作用，高速條件下涵道風(fēng)扇始終可以工作在合適的速度范圍。開(kāi)式轉(zhuǎn)子高速條件下將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為排氣動(dòng)能的效率低于閉式涵道風(fēng)扇，此外螺旋槳轉(zhuǎn)速過(guò)高葉尖氣流還容易分離或產(chǎn)生激波，大大降低效率。因此渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)均不適合高速飛行。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱機(jī)工作原理和渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是一致的。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理如圖14-39所示，氣流在渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中流動(dòng)和參數(shù)變化過(guò)程和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，所不同的是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪從燃?xì)庵刑崛〉臋C(jī)械能一部分驅(qū)動(dòng)各級(jí)壓氣機(jī)，另一部分通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)推力主要由螺旋槳產(chǎn)生，渦輪后的燃?xì)膺€具有一定的能量，通過(guò)尾噴管加速?lài)姵鲞€可以產(chǎn)生小部分推力。（二）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)部件和總體結(jié)構(gòu)和渦噴、渦扇類(lèi)似。但根據(jù)渦輪和壓氣機(jī)、螺旋槳的關(guān)系不同，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪中可能包含自由渦輪，如圖14-40所示。自由渦輪、減速器和螺旋槳構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的功率輸出轉(zhuǎn)子，與壓氣機(jī)之間沒(méi)有機(jī)械關(guān)系也沒(méi)有能量關(guān)聯(lián)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪、風(fēng)扇構(gòu)成的轉(zhuǎn)子中，風(fēng)扇參與了氣流的壓縮，不單純是功率輸出，因此渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪不是自由渦輪。圖14-40中采用自由渦輪的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)不同的工況，核心機(jī)轉(zhuǎn)子可以工作在不同的轉(zhuǎn)速下，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。不設(shè)置自由渦輪的單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)子和螺旋槳通過(guò)減速器直接相連，轉(zhuǎn)速比恒定，螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)均為恒定轉(zhuǎn)速，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。但是單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)需要增加推力時(shí)只需要增加供油量，同時(shí)改變螺旋槳的槳距，轉(zhuǎn)子沒(méi)有加速過(guò)程，單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)飛特性好于自由渦輪的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)常用于需要應(yīng)急復(fù)飛的飛機(jī)，比如用在艦載固定翼預(yù)警機(jī)上。14.3.3渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱機(jī)，其工作原理、能量傳遞形式和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)更為近似，不同在于渦輪輸出的機(jī)械功率通過(guò)減速器以軸功的形式傳遞給直升機(jī)旋翼，而旋翼的軸線和發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線往往不在同一方向上。（一）工作原理渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生軸功的部件工作原理如圖14-41所示。除空氣流量特別小的發(fā)動(dòng)機(jī)外，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般設(shè)置自由渦輪，也稱(chēng)為動(dòng)力渦輪，主要向減速器輸出軸功。其他渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)，通過(guò)壓縮、加熱、膨脹的過(guò)程形成推動(dòng)自由渦輪的燃?xì)?，也叫燃?xì)鉁u輪。用作直升機(jī)動(dòng)力裝置的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要帶動(dòng)旋翼生產(chǎn)升力，旋翼的尺寸相比渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳更大，轉(zhuǎn)速更低。軸功率一定的條件下，轉(zhuǎn)速低對(duì)應(yīng)更大的機(jī)械力矩，需要的減速齒輪尺寸大而且笨重。因此，直升機(jī)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)往往將減速器設(shè)計(jì)成兩部分，和自由渦輪直接連接的高速部分直接裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，稱(chēng)為機(jī)內(nèi)減速器。低速減速器裝到直升機(jī)上，稱(chēng)為主減速器。直升機(jī)如果有多個(gè)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)可以共用一個(gè)主減速器。（二）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件以及整體結(jié)構(gòu)和其他渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似。但使用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)飛行速度基本在100m/s以下，來(lái)流動(dòng)能相對(duì)小，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道減速增壓需求不大；直升機(jī)飛行高度低，吸入各種外來(lái)物的可能性大大增加，為此直升機(jī)進(jìn)氣道具有圖14-42和圖14-43中所示的防護(hù)網(wǎng)，或者粒子分離裝置。粒子分離裝置利用固體顆粒密度大、流動(dòng)跟隨性弱的特點(diǎn)，采用氣流轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凈化。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管多采用擴(kuò)張型的排氣通道，如圖14-41和14-44，這可以減小渦輪后的壓力，有利于渦輪輸出更多的功。此外，直升機(jī)飛行高度低，容易被各種紅外制導(dǎo)武器攻擊，武裝直升機(jī)、軍用運(yùn)輸直升機(jī)排氣裝置都安裝有紅外抑制裝置，降低被攻擊的概率。典型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)減速器如圖14-45，機(jī)內(nèi)減速器轉(zhuǎn)速高，齒輪為高速齒輪，尺寸相對(duì)小，減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)共用滑油系統(tǒng)。圖14-46為機(jī)外主減速器，較為笨重，也需要額外的滑油系統(tǒng)。直升機(jī)旋翼也有類(lèi)似渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳的槳距調(diào)節(jié)器，如圖14-47，該裝置較為復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)旋翼槳葉角度和整個(gè)旋翼傾角的調(diào)節(jié)。槳葉角度不同，旋翼需要的功率不同，由此和發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪功率匹配，保持旋翼轉(zhuǎn)速不變。14.4性能指標(biāo)與特性航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能可用一系列工作參數(shù)進(jìn)行表征。使用者最關(guān)心動(dòng)力裝置能提供多大的推力或功率，其次也要考慮經(jīng)濟(jì)性等因素。14.4.1噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)推力計(jì)算（一）推力計(jì)算公式渦噴、渦扇一類(lèi)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)既是熱機(jī)又是推進(jìn)器，其推力可以視為作用于各部件上各種作用力的合力。但按照部件受力計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的推力十分困難。從另一個(gè)角度來(lái)看，噴氣推進(jìn)基本原理是增加流入推進(jìn)系統(tǒng)的空氣具有的動(dòng)量，進(jìn)而獲得反作用力。因此可以把整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)視為一個(gè)整體，通過(guò)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)控制體進(jìn)口和出口邊界的氣流動(dòng)量變化來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量為Wa，按照?qǐng)D14-48，采用動(dòng)量定理可以推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)推力為：（14-2）其中W9、c9分別為9截面的燃?xì)饬髁亢退俣?。忽略燃油流量，有。?4-3）如果燃?xì)庠谖矅姽苤型耆蛎?，有，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可以簡(jiǎn)化為：（14-4）可見(jiàn)增加排氣速度和流量是增加航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力最直接的手段?；旌吓艢鉁u扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、排氣形式和渦噴一樣，因此可以用同樣的公式計(jì)算。分別排氣的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力為內(nèi)涵和外涵推力之和，為了減小內(nèi)外涵道排氣造成過(guò)大的混合損失，分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)往往內(nèi)外涵道的排氣速度會(huì)設(shè)計(jì)為基本一樣，所以也可以參考渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。分別排氣的高涵道發(fā)動(dòng)機(jī)目前涵道比達(dá)到了6～10，發(fā)動(dòng)機(jī)外涵的推力占到發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大部分，該推力和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，因此常將高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為重要的工作狀態(tài)控制量加以控制。噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)由于要大量吸氣（如GE90-85B的空氣流量1415kg/s）和高速（可以超過(guò)聲速）高溫排氣，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在工作期間，其進(jìn)氣道和尾噴管周?chē)嬖诤芏辔ｋU(xiǎn)區(qū)域，會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成直接傷害。發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域可以分為進(jìn)氣道危險(xiǎn)區(qū)、排氣危險(xiǎn)區(qū)和噪聲危險(xiǎn)區(qū)。波音737-300/400的CFM56-3C發(fā)動(dòng)機(jī)在地面慢車(chē)狀態(tài)的危險(xiǎn)區(qū)域如圖14-49中陰影部分所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)區(qū)域與推力相關(guān)，推力越大，危險(xiǎn)區(qū)域越大。發(fā)動(dòng)機(jī)的安全通道是試車(chē)時(shí)接近發(fā)動(dòng)機(jī)的通道，從進(jìn)排氣危險(xiǎn)區(qū)以外的區(qū)域接近，一般僅在地面慢車(chē)時(shí)接近。（二）推力相關(guān)指標(biāo)（1）推力通常將航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推力表示為：。推力的常用單位包括：N、kN或daN（10N）。目前，大型客機(jī)所用的高涵道渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大的推力超過(guò)50000daN，軍用混合排氣加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力達(dá)到20000daN；無(wú)人機(jī)用的小型渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力僅在100～400daN量級(jí)。對(duì)于一般的推進(jìn)系統(tǒng)而言大發(fā)動(dòng)機(jī)推力肯定比小發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大，空氣流量大的發(fā)動(dòng)機(jī)推力比流量小的發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，因此單純發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小不足以衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)。（2）推質(zhì)比/推重比推質(zhì)比是航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的比，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)：（14-5）式中，m為發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比單位通常為daN/kg。類(lèi)似地，工程上也常將發(fā)動(dòng)機(jī)推力和其重量相比，稱(chēng)為推重比。推重比無(wú)量綱，因此更為常用。發(fā)動(dòng)機(jī)推力一定時(shí)，推質(zhì)比越大發(fā)動(dòng)機(jī)越輕，飛行器空重越小，這對(duì)飛機(jī)的性能將有直接的影響。飛機(jī)升限、有效載荷和經(jīng)濟(jì)性均受發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比影響。對(duì)于渦軸、渦槳等間接產(chǎn)生動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似有功率重量比衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能。相同空氣流量條件的低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量可低20%左右，因?yàn)橥ㄟ^(guò)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道的燃?xì)饬髁可?，所以其尺寸和質(zhì)量都相應(yīng)減小一些。但是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度低，單位推力小，如果推力相同，則渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量要大于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，即使如此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推質(zhì)比仍然比較大。（3）單位推力單位推力定義為流過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單位質(zhì)量的空氣流量所產(chǎn)生的推力：（14-6）式中，的單位為daN·s/kg，為發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。對(duì)于燃?xì)庠谖矅姽苤型耆蛎浨液雎匀加土髁康那闆r，顯然有：Fs＝c9－c0。給定推力的情況下，單位推力越大，空氣流量相對(duì)較小，越容易研制尺寸小、重力輕的發(fā)動(dòng)機(jī)。渦槳和渦軸以功率、當(dāng)量功率衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，和推力指標(biāo)類(lèi)似，也有單位功率和功重比等指標(biāo)，在此不詳細(xì)介紹。14.4.2航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為熱機(jī)和推進(jìn)器，效率直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，推進(jìn)系統(tǒng)的效率包括將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為循環(huán)功的效率和將循環(huán)功轉(zhuǎn)化為推進(jìn)功的效率。（一）航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率（1）熱效率航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱機(jī)，可以用熱效率來(lái)表示發(fā)動(dòng)機(jī)這種性能：（14-7）式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)單位質(zhì)量空氣獲得的循環(huán)功，為對(duì)應(yīng)單位循環(huán)功的燃料完全燃燒所能釋放的熱。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率考慮了循環(huán)過(guò)程中的全部損失，通常包括：（1）燃燒過(guò)程不完全帶來(lái)的損失，占總能量的1%～3%；（2）排出燃?xì)鈳ё叩臒崃浚?5%～75%；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱占1%～2%。目前發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率約為25%～40%。（2）推進(jìn)效率航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為循環(huán)功，作為推進(jìn)器還將循環(huán)功轉(zhuǎn)化為推進(jìn)功，推進(jìn)效率主要衡量這種轉(zhuǎn)化的有效性：（14-8）以渦噴、混合排氣的渦扇為例：推進(jìn)功率：若忽略燃料質(zhì)量，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管完全膨脹，則推力簡(jiǎn)化為：循環(huán)有效功：代入（14-8）式，可得推進(jìn)效率：（14-9）由推進(jìn)效率的表達(dá)可知：推進(jìn)效率具有明顯的物理意義，飛行過(guò)程中推進(jìn)效率總是小于1的，即推進(jìn)過(guò)程總有損失：可見(jiàn)推進(jìn)過(guò)程中不僅損失熱能，還損失機(jī)械能，該部分能量被噴出燃?xì)獾膭?dòng)能帶走。此外推進(jìn)效率決定于c9/c0，循環(huán)參數(shù)一致的條件下，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)c9大推進(jìn)效率小，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)因空氣流量大，排氣速度c9低，故而推進(jìn)效率高，省油。這種現(xiàn)象也決定了不同發(fā)動(dòng)機(jī)的性能差異，產(chǎn)生推力可以采用速度較大但質(zhì)量流量較小噴氣；也可以采用速度較小質(zhì)量流量較大的噴氣。當(dāng)熱機(jī)提供的循環(huán)功一致時(shí)，前者適合高速飛行，但低速飛行時(shí)能量利用率低，比如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、低涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；后者適合相對(duì)低速飛行，但低速飛行時(shí)能量利用率高、省油，比如高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（3）總效率以發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的推進(jìn)系統(tǒng)總效率為熱效率和推進(jìn)效率之積。（14-10）（二）耗油率工程上直接以發(fā)動(dòng)機(jī)的單位推力油耗來(lái)表征發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。若單位時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油為，產(chǎn)生的推力為，則單位燃油消耗率（specificfuelconsumption，簡(jiǎn)稱(chēng)sfc）定義為：（14-11）sfc單位為：kg/（daN·h）。在地面臺(tái)架條件下，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率約為0.8～1.1kg/（daN·h），戰(zhàn)斗機(jī)用低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為0.6～0.8kg/（daN·h），渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)加力時(shí)耗油率約為1.8～2.0kg/（daN·h）；客機(jī)所用大涵道比的渦輪風(fēng)扇地面油耗已經(jīng)達(dá)到0.4kg/（daN·h）以下。以此類(lèi)似渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)采用單位功率油耗衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，先進(jìn)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)比如：RTM322，VK2500單位油耗在0.26~0.3kg/（kW·h）。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨外界條件和供油量的變化而變化，變化的規(guī)律稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。作為一個(gè)工作系統(tǒng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的特性是由發(fā)動(dòng)機(jī)本身的部件、部件之間的共同工作以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律共同決定的。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)的特性為發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性，發(fā)動(dòng)機(jī)也存在啟動(dòng)、加速、減速等過(guò)渡工作過(guò)程，對(duì)應(yīng)其非穩(wěn)態(tài)特性。14.4.3發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響因素分析（一）推力影響因素由發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算方法可知，航空燃?xì)廨啓C(jī)推力決定于發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量Wa和進(jìn)氣、排氣的速度差（c9－c0）。流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量和以下因素直接相關(guān)：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)流總壓進(jìn)入進(jìn)氣道空氣的總壓越高，空氣流通能力越強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量越大。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)流總溫空氣總溫越高，密度越小，同時(shí)對(duì)高溫空氣壓氣機(jī)難于壓縮，因此發(fā)動(dòng)機(jī)流量會(huì)減小。（3）大氣密度空氣密度越小，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量越小。（4）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，壓氣機(jī)抽吸空氣并進(jìn)行壓縮的能力增加，發(fā)動(dòng)機(jī)流量增加。實(shí)際飛行條件往往通過(guò)以上條件共同起作用。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的條件下，飛行速度增加，空氣來(lái)流的總溫和總壓都增加，引起流量變化的趨勢(shì)相反。但飛行速度引起總壓增加造成流量增加的趨勢(shì)大于總溫增加引起流量減少的趨勢(shì)，因此隨飛行速度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量增加。（二）耗油率影響因素發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率由發(fā)動(dòng)機(jī)總的效率決定，即由推進(jìn)效率和熱效率共同決定。（1）推進(jìn)效率推進(jìn)效率由排氣速度和飛行速度決定，二者相差越小，推進(jìn)效率越高。（2）熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的決定因素較多。主要的外部條件是來(lái)流溫度，溫度越高空氣難于壓縮，壓氣機(jī)部件效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加過(guò)程中，增壓比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高；但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，壓氣機(jī)等部件效率又會(huì)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)整體熱效率也會(huì)下降。以上發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)影響規(guī)律會(huì)直接在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速中體現(xiàn)。渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率變化情況和渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化規(guī)律類(lèi)似，耗油率變化規(guī)律相似，因此不單獨(dú)討論。14.4.4航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性包括速度特性、高度特性和節(jié)流特性。下面主要以不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律介紹燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的速度、高度和節(jié)流特性。（一）速度特性在給定的油門(mén)桿位置、飛行高度、大氣條件和調(diào)節(jié)規(guī)律下，推力和耗油率等參數(shù)隨飛行馬赫數(shù)的變化關(guān)系稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性。典型的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性如圖14-50所示。當(dāng)飛行馬赫數(shù)增加時(shí)，從進(jìn)氣道進(jìn)入的空氣流量增加，這會(huì)引起推力的增加；但是飛行速度增加（c9－c0）將減小，會(huì)引起推力降低。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣速度高，低馬赫數(shù)時(shí)流量增加占主導(dǎo)地位，因此隨飛行速度增加推力增加；高馬赫數(shù)時(shí)（c9－c0）減小的趨勢(shì)占主導(dǎo)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降。高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)推力大，但隨著飛行速度增加，（c9－c0）減小的趨勢(shì)大大超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量增加的趨勢(shì)，因此高涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨飛行速度增加而降低。此外，飛行速度增加，氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道減速增壓后溫度提高，高溫氣體難于壓縮，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率和整機(jī)熱效率下降，因此隨馬赫數(shù)增加，各種發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率均增加。對(duì)于民航客機(jī)的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可以形象地講，“飛得越快，發(fā)動(dòng)機(jī)的勁越小，越費(fèi)油”。（二）高度特性在給定的油門(mén)桿位置、飛行馬赫數(shù)、大氣條件和調(diào)節(jié)規(guī)律下，推力和耗油率等參數(shù)隨飛行高度的變化關(guān)系稱(chēng)為高度特性；不同類(lèi)型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高度特性基本一致。以渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，如圖14-51，飛行Ma等條件不變，隨飛行高度的增加，大氣溫度下降，低溫有利于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)等部件工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到改善，因此耗油率不斷下降。這也會(huì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度和單位推力Fs。直至飛行高度到達(dá)11000m的同溫層，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率基本保持不變。對(duì)于推力來(lái)講，隨高度增加，空氣密度越來(lái)越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量急劇下降（本圖中的空氣流量用qma表示），該趨勢(shì)的作用大大超過(guò)排氣速度增加的趨勢(shì)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)推力單調(diào)下降，超過(guò)11000m，這種下降趨勢(shì)依然存在?？梢詺w納為“飛機(jī)飛得越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的勁越小，但省油”。由發(fā)動(dòng)機(jī)高度特性直接決定，民航客機(jī)在高原機(jī)場(chǎng)起飛，空氣密度降低發(fā)動(dòng)機(jī)的推力減小，這是飛機(jī)滑跑距離增加的主要原因之一。此外，同樣的高度條件，大氣溫度越高，空氣流量減小，空氣越難壓縮，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件效率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，起飛距離也會(huì)增加，起飛油耗也會(huì)增加。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨高度、溫度變化的規(guī)律也是類(lèi)似的，這造成使用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)在高原地區(qū)或者在高溫大氣環(huán)境中起飛重量大大減小。（三）發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流特性在給定的飛行馬赫數(shù)、飛行高度、大氣條件和調(diào)節(jié)規(guī)律下，推力和耗油率等參數(shù)隨油門(mén)桿位置或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系稱(chēng)為節(jié)流特性。渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)飛行條件一定的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量是由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，轉(zhuǎn)速往往是油門(mén)桿位置決定的，發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律稱(chēng)為節(jié)流特性，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)速特性或油門(mén)特性。渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要節(jié)流狀態(tài)有：（1）最大工作狀態(tài)：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最大允許條件，轉(zhuǎn)速最大，推力最大?？蛇B續(xù)工作的時(shí)間一般都有限制。（2）額定狀態(tài)：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于最大狀態(tài)，推力為90~95%左右?？蛇B續(xù)工作的時(shí)間也有限，但長(zhǎng)于最大狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的影響也小于最大狀態(tài)。（3）最大連續(xù)工作狀態(tài)：通常規(guī)定，當(dāng)推力為最大工作狀態(tài)推力的85%左右時(shí)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大連續(xù)工作狀態(tài)。渦輪前溫度和耗油率相對(duì)較低，允許連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，或在規(guī)定的壽命范圍內(nèi)沒(méi)有限制。（4）巡航狀態(tài)：當(dāng)推力為最大工作狀態(tài)推力的60%左右時(shí)，為發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)，具有最好的經(jīng)濟(jì)性，使用時(shí)間不限。（5）慢車(chē)狀態(tài)：慢車(chē)狀態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)的最小推力狀態(tài)，也是維持發(fā)動(dòng)機(jī)自持工作的最小轉(zhuǎn)速狀態(tài)，一般為推力為最大推力的5%左右，常用于進(jìn)場(chǎng)著陸和地面滑行。民航客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)也有稱(chēng)為起飛狀態(tài)（最大）、靈活起飛（額定）、巡航狀態(tài)等不同稱(chēng)呼；渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)則稱(chēng)為：起飛狀態(tài)、100%額定、90%額定；渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)則稱(chēng)為最大應(yīng)急、起飛、額定等狀態(tài)。圖14-52給出了典型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流狀態(tài)和節(jié)流特性。隨轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一直增加。在達(dá)到巡航狀態(tài)以前，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是下降的，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加帶來(lái)壓氣機(jī)壓比增加引起效率改善，該趨勢(shì)在較大范圍占主導(dǎo)地位，油耗所以降低；到達(dá)巡航轉(zhuǎn)速后進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速則發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度、排氣溫度大大提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率下降，該趨勢(shì)將占主導(dǎo)地位，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗又將增加?？梢詺w納為，飛行條件不變，“轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)越有勁”。因此各種飛機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速作為重要參數(shù)顯示給飛行員。多轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦噴、混排渦扇高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速更能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，因此以渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的N2為主控參數(shù)。高涵道渦扇推力主要由外涵道產(chǎn)生，發(fā)動(dòng)機(jī)以N1為主控參數(shù)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工況。14.5燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)要想正常工作，離不開(kāi)為其服務(wù)的幾大工作系統(tǒng)：空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，還有輔助動(dòng)力裝置。14.5.1空氣系統(tǒng)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)里的氣流是指那些對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的產(chǎn)生無(wú)直接影響的空氣流。這些氣流主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的以下幾個(gè)方面：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻，軸承腔封嚴(yán)，壓氣機(jī)防喘控制，渦輪葉片的間隙控制，發(fā)動(dòng)機(jī)防冰等。這些氣流還可以為飛機(jī)的使用提供引氣，用于飛機(jī)空調(diào)、機(jī)翼防冰、探頭加熱等。一、冷卻與封嚴(yán)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣氣流的主要任務(wù)是內(nèi)部封嚴(yán)、壓力平衡和內(nèi)部冷卻，主要?dú)饬鞯牧飨蛉鐖D14-53所示。如前所述，燃燒室的工作環(huán)境是十分惡劣的，燃燒室內(nèi)燃燒釋放的燃?xì)鉁囟却蠹s是1800-2000℃，燃?xì)鉁囟忍?，不能直接進(jìn)入渦輪導(dǎo)向器葉片，需冷卻后進(jìn)入渦輪導(dǎo)向器葉片。冷卻在稀釋區(qū)實(shí)現(xiàn)，火焰筒與機(jī)匣間的二股空氣流中，有20%引入火焰筒稀釋區(qū)降低燃?xì)獾臏囟?，其?0%用于冷卻火焰筒壁，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是借助于一層冷卻空氣沿火焰筒壁的內(nèi)表面流動(dòng)，形成一層隔熱空氣膜，將火焰筒壁面與熱燃?xì)飧糸_(kāi)。渦輪前燃?xì)鉁囟仍礁邷u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高，但是這個(gè)溫度受到渦輪葉片和導(dǎo)向器材料的限制，因此需要對(duì)渦輪部件進(jìn)行冷卻。從渦輪葉片向渦輪盤(pán)的熱傳導(dǎo)要求對(duì)輪盤(pán)加以冷卻，從而防止熱疲勞和不可控的膨脹率和收縮率。冷卻渦輪盤(pán)的空氣進(jìn)人輪盤(pán)之間的空腔，并往外流過(guò)輪盤(pán)的表面，在完成冷卻功能之后，排人主燃?xì)饬鳌７鈬?yán)件用于防止滑油從發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔漏出，控制冷卻空氣流和防止主氣流的燃?xì)膺M(jìn)入渦輪盤(pán)空腔。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了多種封嚴(yán)方法，如篦齒封嚴(yán)、液壓封嚴(yán)、石墨封嚴(yán)和刷式封嚴(yán)等。選擇何種方法取決于周?chē)臏囟群蛪毫?、可磨損性、發(fā)熱量、重量、可用的空間、易于制造及易于安裝和拆卸。二、發(fā)動(dòng)機(jī)防喘如果壓氣機(jī)的工作狀偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)太多，就會(huì)發(fā)生氣流分離和空氣動(dòng)力誘導(dǎo)的振動(dòng)。轉(zhuǎn)子葉片可能因?yàn)榭諝饬飨鄬?duì)葉片的迎角太大或太小而失速。如果失速葉片過(guò)多，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。壓氣機(jī)防止喘振的主要措施是采用壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片（VSV）、放氣機(jī)構(gòu)和采用多轉(zhuǎn)子，即通過(guò)改變迎角大小，避免葉片失速。在單軸上實(shí)現(xiàn)高增壓比時(shí)，必須在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中采用流量控制?？刂菩问绞窃诘谝患?jí)上安裝可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)向葉片。此外，隨著該軸上的壓比的提高，在隨后的一些級(jí)中采用可調(diào)靜子葉片。可調(diào)靜子葉片機(jī)構(gòu)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制靜子葉片的角度，主要由可調(diào)靜子葉片、搖臂、同步（聯(lián)動(dòng)）環(huán)、作動(dòng)筒和控制器等組成，如圖14-54所示。當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)钠湓O(shè)計(jì)值往下降低時(shí)，靜子葉片逐漸關(guān)小，使空氣流到后面的轉(zhuǎn)子葉片上的角度合適。反之，轉(zhuǎn)速增加時(shí)，靜子葉片逐漸開(kāi)大。放氣機(jī)構(gòu)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制放氣活門(mén)的開(kāi)關(guān)，打開(kāi)放掉一部分壓氣機(jī)中間級(jí)的空氣，一旦脫離喘振區(qū)，放氣活門(mén)或者放氣帶關(guān)閉。放氣機(jī)構(gòu)主要由放氣活門(mén)（放氣帶）、作動(dòng)筒和控制元件等組成?；铋T(mén)關(guān)閉過(guò)早或晚均不利，關(guān)閉過(guò)早發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有脫離喘振范圍，仍可能喘振；關(guān)閉過(guò)晚，放掉空氣，造成浪費(fèi)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。三、發(fā)動(dòng)機(jī)防冰當(dāng)飛機(jī)穿越含有過(guò)冷水珠的云層或在有凍霧的地面工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道前緣，進(jìn)氣整流罩、進(jìn)口導(dǎo)向葉片都有可能結(jié)冰。防冰是必要的，這是因?yàn)榻Y(jié)冰會(huì)大大限制通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，并且脫落下來(lái)的冰塊被吸入壓氣機(jī)后就會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件損壞。為了防止飛機(jī)某些部位結(jié)冰，根據(jù)結(jié)冰情況實(shí)時(shí)除冰，保證飛機(jī)安全飛行，人們常常采取適當(dāng)?shù)姆辣c除冰技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)防冰方法是對(duì)容易結(jié)冰的零件表面進(jìn)行加溫。常用熱源有：壓氣機(jī)熱空氣、電加熱和滑油加熱。防冰用的熱空氣一般來(lái)自高壓壓氣機(jī)，經(jīng)防冰調(diào)節(jié)活門(mén)和供氣管路送到防冰部位，如圖14-55所示。進(jìn)口整流罩防冰系統(tǒng)用過(guò)的空氣可以排入壓氣機(jī)進(jìn)口或排出機(jī)外。調(diào)節(jié)活門(mén)一般由飛機(jī)防冰探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)自動(dòng)作動(dòng)，管道上可有壓力、溫度傳感器監(jiān)視防冰熱空氣的溫度和壓力，一旦超限，傳感器便給出信號(hào)。14.5.2燃油系統(tǒng)飛機(jī)的不同飛行階段（滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、復(fù)飛等）需要不同的推力（或功率），對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作狀態(tài)，也就是說(shuō)需要供給發(fā)動(dòng)機(jī)不同的燃油量。在飛機(jī)上有飛機(jī)燃油系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)是從飛機(jī)燃油系統(tǒng)將燃油供到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油泵開(kāi)始，一直到燃油從燃燒室噴嘴噴出，CFM56-3渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)如圖14-56所示。這中間除燃油泵外還有燃油/滑油熱交換器、燃油濾、燃油控制器、燃油流量計(jì)、燃油總管和燃油噴嘴等。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)提供燃油流量到燃燒室，它能夠運(yùn)送燃油流量要能夠達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作所需要的量。并且冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)滑油和整體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（IDG）滑油。系統(tǒng)包含：有低壓和高壓元件的兩級(jí)燃油泵、液力組件，滑油/燃油熱交換器、FADEC控制、IDG滑油散熱器、伺服機(jī)構(gòu)燃油加熱器、回油活門(mén)、燃油過(guò)濾器、燃油流量傳感器、20雙圓錐體噴嘴（16標(biāo)準(zhǔn)和4主噴嘴）和燃燒器分級(jí)活門(mén)（圖14-57）。14.5.3啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)為了保證航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)能順利啟動(dòng)，需要有兩個(gè)相互協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在地面正常啟動(dòng)時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)必須同時(shí)工作。首先由啟動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子帶轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速，使適量空氣進(jìn)入燃燒室并與燃油噴嘴噴出的燃油相混合，再由點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的油氣混合氣，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈳?dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，壓氣機(jī)在啟動(dòng)機(jī)和渦輪的共同作用下不斷加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)機(jī)退出工作。一、啟動(dòng)系統(tǒng)使航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由零增加到慢車(chē)轉(zhuǎn)速的過(guò)程，稱(chēng)之為啟動(dòng)過(guò)程。燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和循環(huán)過(guò)程，決定了它不能象汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣自主的點(diǎn)火啟動(dòng)。在靜止的發(fā)動(dòng)機(jī)中直接噴油點(diǎn)火，壓氣機(jī)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，前面空氣沒(méi)有壓力，就不能使燃?xì)庀蚝罅鲃?dòng)，也就無(wú)法使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這樣會(huì)燒毀燃燒室和渦輪導(dǎo)向葉片。所以，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特點(diǎn)就是：先要空氣流動(dòng)，再點(diǎn)火燃燒，也即發(fā)動(dòng)機(jī)必須要先旋轉(zhuǎn)，再啟動(dòng)。這就是矛盾，發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)啟動(dòng)，還沒(méi)點(diǎn)火，卻要它先轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)這個(gè)啟動(dòng)特點(diǎn)，就必須在點(diǎn)火燃燒前先由其他能源來(lái)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩與轉(zhuǎn)子阻力矩的變化情況，可以將啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段：由啟動(dòng)機(jī)開(kāi)始帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起，到渦輪發(fā)出功率，轉(zhuǎn)子僅由啟動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；由渦輪開(kāi)始發(fā)出功率起，到啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)為止，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由啟動(dòng)機(jī)和渦輪共同帶動(dòng)；由啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)止，到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入慢車(chē)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)。啟動(dòng)機(jī)必須產(chǎn)生高扭矩并傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)組件，以提供一種平緩的方式從靜止?fàn)顟B(tài)加速轉(zhuǎn)子，供應(yīng)足夠的空氣到燃燒室和燃油混合燃燒，直到流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的燃?xì)饬魈峁┳銐虻墓β嗜〈鷨?dòng)機(jī)的功率。啟動(dòng)機(jī)的類(lèi)型有很多，電動(dòng)啟動(dòng)機(jī)和空氣渦輪啟動(dòng)機(jī)較多使用。電動(dòng)啟動(dòng)機(jī)主要用于渦輪螺旋槳、小型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置上。電動(dòng)啟動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)直流電動(dòng)馬達(dá)，使用、維護(hù)方便，尺寸小，易使啟動(dòng)過(guò)程自動(dòng)化。圖14-58所示為一種電動(dòng)啟動(dòng)機(jī)，它通過(guò)減速齒輪、棘輪機(jī)構(gòu)或離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到自維持轉(zhuǎn)速后能自動(dòng)脫機(jī)。二、點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的作用是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃混合氣，并且能在起飛、著陸和遇到惡劣天氣下，提供連續(xù)點(diǎn)火。點(diǎn)火程序還根據(jù)不同的電控單元ECU選擇不同的點(diǎn)火系統(tǒng)，來(lái)增加系統(tǒng)的壽命。所有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)均采用高能點(diǎn)火，而且總是裝備雙套系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)包括點(diǎn)火激勵(lì)器、點(diǎn)火導(dǎo)線和點(diǎn)火電嘴等。點(diǎn)火裝置接受的是來(lái)自飛機(jī)供電系統(tǒng)的電源，由啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)電路控制，其中有一個(gè)是從飛機(jī)應(yīng)急電源系統(tǒng)供電。電能被儲(chǔ)存在點(diǎn)火激勵(lì)器的儲(chǔ)能電容，直到達(dá)到非常高的預(yù)定電壓值，該能量便以高電壓、髙電流放電形式通過(guò)點(diǎn)火電嘴釋放出來(lái)，產(chǎn)生火花。就是說(shuō)，點(diǎn)火激勵(lì)器是把低壓電轉(zhuǎn)換成高壓電，而高壓點(diǎn)火導(dǎo)線是將高壓電從點(diǎn)火激勵(lì)器傳送到點(diǎn)火電嘴。根據(jù)使用的低壓電源不同，點(diǎn)火激勵(lì)器分為直流點(diǎn)火器和交流點(diǎn)火器兩種。典型的直流斷續(xù)器控制的裝置有一個(gè)感應(yīng)線圈，如圖14-60所示，由斷續(xù)器機(jī)構(gòu)操作，通過(guò)高壓整流器給儲(chǔ)能電容器充電。當(dāng)電容器中的電壓等于封嚴(yán)放電間隙