航空发动机导论

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1、航空发动机导论专业： 交通工程 学号： 姓名： 所属学院： 机场学院 二一六年四月航空发动机导论1（1.中国民航大学机场学院，天津 300300）摘 要：航空发动机（aero-engine），是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏，被誉为“工业之花”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前，世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国等少数几个国家，技术门槛很高。航空发动机主要有三大类：活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机、冲压发动机。当今，在全球范围内使用较多的是燃气涡轮发动机，它主要

2、有四种构造类型，分别是：涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机。世界三大航空发动机生产商分别是美国通用电气、英国罗尔斯罗伊斯和美国普拉特惠特尼。中国进入航空发动机领域较晚，在发动机的研制、使用、维护上与世界航空大国存在很大的差距，但我国也是在航空发动机领域进步最快的一个国家，我国现今拥有多款性能卓越的发动机，现今对航空发动机的重视会使得我国的航空发动机能够更加快速的进步。关键词：航空发动机；可靠性；经济性；涡轮风扇发动机AbstractAircraft engine (aero - engine), is a highly complex and sophisticat

3、ed thermal mechanical, provide power for the flying aircraft engine. As the heart of the aircraft, known as the flower of the industry, it directly affects the performance, reliability and economy of aircraft is a national science and technology, industry and the important embodiment of national def

4、ense power. At present, the developed independently in the world of high performance aero engine countries only the United States, Russia, Britain, France and other countries, a few technical threshold is very high. There are three main categories: engine piston aircraft engine, gas turbine engine a

5、nd ramjet. Today, on a global scale is to use more gas turbine engine, it mainly has four structural types, respectively is: turbo jet engines, turbofan engine, turboshaft and turboprop engines. Are three aircraft engine manufacturer in the world, American, the American and British rolls Royce pratt

6、 Whitney. China into the field of aero engine late, on engine development, use, maintenance and air power there is a big gap in the world, but China is also one of the fastest progress in the field of aero engine countries, our country today are based on the excellent performance of the engine, toda

7、ys emphasis on aircraft engine will make our countrys aviation engine can more rapid development.Keywords: Aircraft engine; Reliability; Economy; Turbofan engine目录一、 对我校飞行器动力工程专业的认识二、 航空燃气涡轮发动机的类型及其特点三、 航空燃气涡轮发动机的工作原理四、 航空燃气涡轮发动机的组成及其功用一、对我校飞行器动力工程专业的认识我校的飞行器动力工程在全校的专业中属于热门专业，也是我校就业形势很好的专业。图1就很好地展示了

8、我校飞行器动力工程专业的就业情况，在航空航天领域的就业多年来在众多专业中一直名列前茅。图2的我校毕业生平均年薪与其他高校的对比中可以了解到我校的毕业生粘性在全国的各大高校中属于前列，这也是得益于我校的航空类专业。图 1 我校各专业的就业领域图2 我校毕业生平均年薪与其他高校的对比中国民航大学的前身军委民航局第二航校，在1951年9月25日中央人民政府人民革命军事委员会的批准下成立，当时的主要任务是是为新中国民航培训飞行和机务人员，教员多为“两航”起义人员中的知识分子。在2015年因为我校在教育部本科教学工作水平评估中获得优秀，紧接着我校在2006年5月30日，经教育部批准，中国民用航空学院更名

9、为中国民航大学。我校长期致力于飞行和机务人员的培养，所以我校的航空工程学院的毕业方向主要是各个航空航空公司、航空维修单位、适航部门和航空科研院所，也可以继续攻读本专业或相关交叉学科的硕士学位。我校飞行器动力工程主要针对于民航发动机，在民航界具有很高的声誉，由于民航发动机在安全性、制造成本、经济性，维护性，使用寿命，噪音，排放等等方面有很高的要求，特别是安全性，由于发动机不断的启动、关停，以及各种飞行需求，各个部件都承受着复杂的循环载荷。尽管随着制造工艺和维护水平的提高，发动机的可靠性越来越强，但空中停车的情况还是偶有发生。在60年代，平均每年每台发动机失效一次。在今天，平均每台发动机每30年失

10、效一次。所以我校的航空类学生对于民航发动机的维修也存在很大的难度，需要我们更加认真、努力的学习专业文化知识，也要更加认真的实习。中国民航大学的飞行器动力工程专业的培养目标：本专业以航空维修工程为特色，培养适应国内外现代民航发展需求，具备较高思想政治素质，掌握系统的航空发动机专业知识和扎实的航空维修及管理理论基础，具有较强的实际操作能力和严谨的工作作风，了解民航发展动态，能够从事航空发动机的运行监控、故障诊断、维护修理及维修管理等相关技术、管理工作，宽口径、厚基础、强能力、高素质，具有创新精神，德、智、体、美全面发展的应用型高级工程技术人才和管理人才。本专业可授予工学学士学位。我校的飞行器动力工

11、程在未来的工作中也许会有很多的艰辛困苦，但是作为一名航空人就不能轻易说苦，也不轻易说累，在航空人眼里无数的艰难困苦只是他们学习进步万里征程的一个有一个良师益友，航空是一个既浪漫又现实的事业。外界看来充满神秘感的航空事业,实际是一个“如果没有一种对国家的忠诚、没有一种奉献精神,就很难坚持下去”的行业。尤其是航空研发领域,一个机务要做十几年是常事,甚至有的人一辈子都只是和一个飞机发动机打交道，他们对于发动机有着一份别样的情怀，那是经历了十几年甚至几十年的情感积累。二、航空燃气涡轮发动机的类型及其特点航空发动机主要分为有三种类型： 活塞式航空发动机（图3）。早期在飞机或直升机上应用的航空发动机，用于

12、带动螺旋桨或旋翼。大型活塞式航空发动机的功率可达2500千瓦。后来为功率大、高速性能好的燃气涡轮发动机所取代，但小功率的活塞式航空发动机仍广泛地用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机。按汽缸的冷却方式发动机分为液冷式和气冷式两种。早期飞机的飞行速度很低，多采用液冷式发动机。随着飞行速度的提高,可以利用高速气流直接冷却汽缸,气冷式发动机遂得到广泛应用。发动机按汽缸排列形式又分为星型和直列型。星型发动机汽缸以曲轴为中心沿机匣向外呈辐射状均匀排列，有单排和双排等形式。直列式发动机汽缸沿机匣前后成行排列,有对缸、工字型、V型等排列形式,以星型和V型用得较多。有时按供油方式不同又将发动机分为化油器式和直接注油

13、式两种，其中直接注油式应用较广泛。图3 航空活塞发动机燃气涡轮发动机。应用最广。包括涡轮喷气发动机（图4）、涡轮风扇发动机（图5）、涡轮螺旋桨发动机（图6）和涡轮轴发动机（图7），都具有压气机、燃烧室和燃气涡轮。涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800千米的飞机；涡轮轴发动机主要用作直升机的动力；涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机；涡轮喷气发动机主要用于超声速飞机。 图4 典型涡轮喷气发动机图5 GE90涡轮风扇发动机图6 典型涡轮螺旋桨发动机图7 典型涡轮轴发动机冲压发动机（图8）。特点是无压气机和燃气涡轮，进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。它构造简单、推力大，特别适用于高速高空

14、飞行。由于不能自行起动和低速下性能欠佳，限制了应用范围，仅用在导弹和空中发射的靶弹上。上述发动机均由大气中吸取空气作为燃料燃烧的氧化剂，故又称吸空气发动机。其他还有火箭发动机、脉冲发动机和航空电动机。火箭发动机燃料消耗太大，不适于长时间工作，仅用于短时间飞机加速（如起动加速器）。脉冲发动机主要用于低速靶机和航空模型飞机。由太阳电池驱动的航空电动机仅用于轻型飞机，尚处在试验阶段。图8 典型冲压发动机三、航空燃气涡轮发动机的工作原理航空燃气涡轮喷气发动机主要由进气道（Intake）、压气机（compressor）、燃烧室（combustion chamber）、涡轮（turbine）、喷管（Exh

15、aust）等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压气机加压成高压气体，接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气，然后进入涡轮段，推动涡轮，将燃气的焓和动能转换成机械能输出，最后的废气由尾喷管排出。而由涡轮输出的机械能中，一部分会用来驱动压气机，另一部分则经由传动轴输出（涡轮轴发动机），用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统或飞行器螺旋桨等。涡轮喷气发动机工作原理：进入发动机的空气经压气机压缩后，流入燃烧室与喷入的燃油混合后燃烧，形成高温、高压的燃气，再进入燃气涡轮中膨胀做功，使涡轮高速旋转并输出功率。由燃气涡轮出来的燃气，仍具有一定的能量，通过喷管喷出

16、，产生推力。应用条件：涡轮喷气发动机可在马赫数介于0.73.0之间使用，飞行速度过高或过低，对于涡轮喷气发动机都是不利的。一般在20km以下的高度适用，在812 km的高度上可以获得最大飞行速度。涡轮风扇发动机工作原理：涡轮风扇发动机的结构和涡轮喷气发动机的结构也很相似，所不同的是在此基础上增加了风扇和驱动风扇的低压涡轮。涡轮分为高压涡轮和低压涡轮，高压涡轮带动压气机转动，低压涡轮带动风扇转动。风扇吸入的空气气流分成外涵道和内涵道两股，所以这类发动机又叫做内外涵发动机。当发动机启动后，风扇转动，风扇吸入大量的空气，并将空气进行压缩。压缩的气流分成两股，一股气流经过外通道向后流去，经喷管加速排出

17、，这股气流所经过的通道称为外涵道。另一股气流与普通涡轮喷气发动机相同，经过压气机，进入燃烧室和涡轮后由尾喷管排出，这股气流通过的通道称为内涵道。其中外股气流与内股气流流量之比称为涵道比。两股气流可以分别从各自喷管排出，也可以在涡轮后混合，然后再一起排出。前者推力是内外涵推力的总和，推力随着发动机参数和工作状态的不同变化很大；后者带有共同的喷管，经过涡轮膨胀后的内涵燃气流在混合室与外涵空气流进行混合，混合气在喷管内膨胀加速，然后产生推力，由于喷管出口处的温度场均匀，所以这种发动机与前者相比，推力可有所增加，经济性也有所改善。应用条件：在亚声速飞行时有较好的经济性。在燃油一定的情况下，推力却有所增

18、加，因此发动机的效率有所提高。涡轮螺桨发动机工作原理：与涡轮喷气发动机相似，只不过在此基础上增加了螺旋桨和减速装置。发动机启动以后，涡轮开始工作，带动前面的压气机转动，并从进气道吸入大量的空气，被压气机压缩的空气送入燃烧室进行燃烧，从燃烧室出来的高温高速气流吹动涡轮高速旋转。涡轮除了带动前面的压气机转动以外，还要带动螺旋桨旋转。由于螺旋桨的转速比涡轮低得多，所以需要在发动机上安装一套减速装置，使涡轮的转速降低到螺旋桨需要的转速。由于涡轮燃气的大部分能量都转变成轴功率带动螺旋桨和压气机转动，因此，螺旋桨产生的拉力占飞机总推力的主要部分，约为90%。而只有部分燃气能量用来在尾喷管中加速气流而产生推

19、力，因此，排气推力只占一小部分，一般不超过10%。应用条件：涡轮螺桨发动机在低亚声速（马赫数0.6）飞行时效率较高，耗油率小，经济性能好。与活塞式发动机相比，功率重量比大、耗油率低、振动小且高空性能好，与涡轮喷气发动机比，螺旋桨的排气量远比涡轮喷气发动机的排气量大，因此适用于低速中型飞机。涡轮轴发动机工作原理：带动直升机的旋翼和尾桨旋转，因而燃气不提供推力。涡轮的输出轴可以由发动机的前面伸出，也可以由发动机的后部伸出。它一般有两种涡轮结构：自由涡轮和普通涡轮。普通涡轮带动压气机工作，而自由涡轮不带动压气机，是专为输出功率用的涡轮，而且主要用在直升机和垂直短距起落飞机上。由于直升机的旋翼和尾桨转

20、速不能太大，因此涡轮轴和旋翼之间有必要加装减速装置进行减速。优点：与活塞发动机相比，其主要优点是功率大、质量轻和体积小，且由于没有活塞式发动机的往复运动，所以振动小，噪声低。涡轮轴直升机无论从航程、速度、升限还是装载量上都比活塞式直升机要大，经济性也更好。缺点：耗油量要比活塞式发动机大，随着功率的增加，差距将会缩小。四、 航空燃气涡轮发动机的组成及其功用航空燃气涡轮发动机主要由五大部件组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。下面就五大部件的功用进行阐述。进气道的作用：1、冲压恢复，尽可能多地恢复气流总压。2、流经进气道时具有尽可能小的流动损失。3、提供均匀气流，在压气机进口处具有尽可能均匀

21、的气体流场，保证压气机正常工作。4、进气道引起的飞行阻力必须尽可能的小。例如：亚音速进气道，进口为圆形唇口，进气道内部是先扩张后稍微收敛通道。这样先冲压压缩，使气流速度下降，压力、温度升高。然后气流速度稍有上升，压力和温度稍有下降，使气流均匀流入压气机。超音速进气道有好几种，装有尖锥或尖劈，能够使超音速气流转变为亚音速气流时：1、减少流动损失2、提高总压恢复系数。压气机的功用：对气流做功，以提高气流的压力。一般燃气轮机的压气机通常有轴流式和离心式两种。轴流式压缩机会有许多的叶片，形状类似螺旋桨叶片，但是分为“静子”（stator）与“转子”（rotor）两种。转子就像螺旋桨一般地旋转，在旋转的

22、过程中将对气流加功，增大气流总压P*和总温T*，这时气流的压力和温度就会提高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向，以正确的角度进入下一组转子，减小气流绝对速度C1。通常是一组转子和一组静子交互配置，而一组转子和静子就称为一级。离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推向机匣，而产生加压的效果。一级的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比，对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择，但是由于气流是向外辐射，必须以大幅弯曲的通道折回内部，故能量的耗损也较大，效率低。燃烧室的功用：燃烧室由外壳（套）、火焰筒、喷（油）嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空

23、气分成两股：一股（约占1/42/5）进入火焰筒前部，与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气，经点火装置点火后燃烧。另一股（占3/43/5）从火焰筒与外套间流过，对火焰筒壁面进行冷却，然后进入火焰筒与高温燃气掺混，使燃气温度降低，达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种：直流式：气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。折流式：气流由压气机流出后，折成两路流入火焰筒，与甩油盘配合使用。回流式：压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回

24、流。后两种形式气流流动损失大，但能缩短发动机的长度，一般用于采用离心式压气机的发动机中。燃烧室按结构形式又分为管形燃烧室、环形燃烧室和环管形燃烧室。管形燃烧室中的每个管形火焰筒有单独的外套，组成一个单管燃烧室。一台发动机可以有若干个单管燃烧室，沿着周向装在发动机上，其中几个燃烧室装有点火装置。各燃烧室之间通过联焰管来传递焰和均压。管形燃烧室易调试，强度与刚性好、装拆与维护方便，多用于早期的燃气涡轮发动机以及空气流量很小的发动机上。环形燃烧室中的火焰筒为一整体的环形腔。同心地装在环形的壳体内。这种燃烧室空间利用率高，迎风面积、重量、压力损失、火焰筒表面积和长度都小，所需的冷却空气量少，出口流场沿

25、周向分布均匀，广泛用于各种新型发动机中。环管形燃烧室有若干个管形火焰筒沿圆周均匀地装在一个共同的环形壳体内。各火焰筒间装有联焰管。它的结构介于管形燃烧室与环形燃烧室之间。5060年代的发动机多采用这种结构。涡轮的功用：构造上与轴流式压缩机相似，同样是一组定子与一组转子合称为一级。涡轮叶片与螺旋桨及飞机机翼相似，气流流过时产生作用力，对转子叶片作功而使其转动，而能将气流的能量转换成机械能输出，因此气流在通过涡轮后，温度与压力都会下降。与压缩机不同的是，涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能，因此叶片的形状与压缩机会稍有不同，重视的是气流通过时能产生的作用力，与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。

26、涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击，为了提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率，涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。叶片结构上也常使用一些特殊设计，例如常见的作法是将叶片设计为中空，然后将冷空气或冷却液导入内部，在叶片内部流动时可以产生冷却效果，还有在表面设计许多小孔喷出冷空气，随着空气流动而覆盖整个叶片，阻隔以避免高温空气直接冲击叶片，以达到保护的效果。尾喷管的功用：尾喷管分两种，1、收敛和收敛扩张；2、喷口面积可调和不可调。不可调节的收敛形尾喷管（固定喷口的亚声速尾喷管）：结构最简单，重量最轻，广泛应用于亚声速及低超声速飞机上的不带加力燃烧室的涡喷发动机，及涡轮后燃

27、气焓降较小的涡桨和涡扇发动机。（如WP5甲的尾喷管可调节的收敛形尾喷管：能使发动机在各种工况下都获得良好的性能，带加力的发动机必须采用可调节的尾喷管，保证在家里状态下相应地加大喷口。有的发动机通过改变喷口面积来改变工况。其主要类型有：多鱼鳞片式，双鱼鳞片式，移动尾椎体式，气动调节式。（鱼鳞片又叫调节片，多鱼鳞片式参考WP6,WP7）可调节的收敛扩张形尾喷管：超声速飞机用（无论有无加力），其燃气的膨胀比很大，用此型尾喷管减小燃气不完全膨胀的推力损失。有移动尾椎体式和多调节片式等。（如AL-31f）超声速飞机还用过引射式尾喷管，用引气气流调节主流的膨胀比。以上尾喷管是直流式的，燃气向后排出。参考文献1 王云.航空发动机原理.北京航空航天出版社.2002(8)2 赵群力.21世纪初航空技术展望.21世纪的航空科学技术.1999（8）3 Keisuke Isobe; Masaya Suzuki; Makoto Yamamoto.Jet Engine Introduce. Journal of Thermal Science.2014(10)