民航概論：第05章 航空發(fā)動機

1、第五章第五章 航空發(fā)動機航空發(fā)動機 概概 述述 航空發(fā)動機是將航空燃料中所含的化航空發(fā)動機是將航空燃料中所含的化 學能量轉變?yōu)闊崮茉俎D化成機械能的熱力學能量轉變?yōu)闊崮茉俎D化成機械能的熱力 機械。機械。 航空發(fā)動機的性能對飛機的性能影響航空發(fā)動機的性能對飛機的性能影響 很大。很大。 評定航空發(fā)動機品質的主要指標有：評定航空發(fā)動機品質的主要指標有： 性能參數性能參數推重比、耗油率等推重比、耗油率等 可靠性可靠性 耐久性耐久性 5.1 活塞式航空發(fā)動機活塞式航空發(fā)動機 5.1(1) 活塞式航空發(fā)動機一般以汽油為燃活塞式航空發(fā)動機一般以汽油為燃 料，帶動螺旋槳，料，帶動螺旋槳，由螺旋槳產生推（拉）由螺

2、旋槳產生推（拉） 力為飛機提供動力。力為飛機提供動力。 所以，作為飛所以，作為飛 機的動力裝置時，機的動力裝置時， 發(fā)動機與螺旋槳是發(fā)動機與螺旋槳是 不能分割的。不能分割的。 5.1(2) 活塞式航空發(fā)動機的主要構件活塞式航空發(fā)動機的主要構件 氣缸氣缸 活塞活塞 連桿連桿 曲軸曲軸 進、排氣活門進、排氣活門 機匣機匣 5.1(3) 活塞沖程活塞沖程 當活塞在氣缸中移動時，當活塞在氣缸中移動時， 它相對曲軸有兩個極限位置：它相對曲軸有兩個極限位置： 活塞離曲軸中心最遠的位置活塞離曲軸中心最遠的位置 稱為稱為上死點上死點，活塞離曲軸中，活塞離曲軸中 心最近的位置稱為心最近的位置稱為下死點下死點。

3、上死點和下死點之間的距離上死點和下死點之間的距離 稱為稱為活塞沖程活塞沖程 。 5.1(4) 活塞式航空發(fā)動機的工作原理活塞式航空發(fā)動機的工作原理 絕大多數活塞式航空發(fā)動機的工作循絕大多數活塞式航空發(fā)動機的工作循 環(huán)是由四個沖程組成的，稱為四沖程發(fā)動環(huán)是由四個沖程組成的，稱為四沖程發(fā)動 機。即機。即活塞在氣缸內要經過四個沖程，依活塞在氣缸內要經過四個沖程，依 次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排 氣沖程。氣沖程。 進氣進氣 壓縮壓縮 膨脹膨脹 排氣排氣 5.1(5) 活塞式發(fā)動機的氣缸排列方式活塞式發(fā)動機的氣缸排列方式 為滿足功率要求并使發(fā)動機工作平穩(wěn)，為滿

4、足功率要求并使發(fā)動機工作平穩(wěn)， 活塞式航空發(fā)動機一般都是多氣缸組合構活塞式航空發(fā)動機一般都是多氣缸組合構 成的。依照氣缸排列方式不同，可分為：成的。依照氣缸排列方式不同，可分為： 直立型、直立型、V型、對立型、型、對立型、X型、星型等。型、星型等。 5.1(6) 活塞式發(fā)動機的優(yōu)點活塞式發(fā)動機的優(yōu)點 經濟性較好：不但耗油率低，而且單經濟性較好：不但耗油率低，而且單 位功率的售價低；位功率的售價低； 燃燒較完全，所以對環(huán)境的污染相對燃燒較完全，所以對環(huán)境的污染相對 較??；較??； 噪音較小。噪音較小。 目前，活塞式航空發(fā)動機仍廣泛地目前，活塞式航空發(fā)動機仍廣泛地 應用于小型低速飛機。應用于小型低速

5、飛機。 5.1(7) 農農5 旅行者旅行者 5.2 航空燃氣渦輪發(fā)動機航空燃氣渦輪發(fā)動機 概概 述述(1) 航空燃氣渦輪發(fā)動機有四種基本類型，航空燃氣渦輪發(fā)動機有四種基本類型， 即渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦即渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦 輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。在這些輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。在這些 發(fā)動機中都有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪，發(fā)動機中都有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪， 因此統(tǒng)稱為燃氣渦輪發(fā)動機。因此統(tǒng)稱為燃氣渦輪發(fā)動機。 概概 述述(2) 航空燃氣渦輪發(fā)動機航空燃氣渦輪發(fā)動機仍屬于熱機的一仍屬于熱機的一 種，因此從產生輸出能量的原理上講，種，因此從產生輸出能量的

6、原理上講，燃燃 氣渦輪發(fā)動機氣渦輪發(fā)動機和活塞式發(fā)動機是相同的，和活塞式發(fā)動機是相同的， 都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個 階段。階段。 概概 述述(3) 在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，進入發(fā)動機的進入發(fā)動機的 空氣經壓氣機壓縮后，流入燃燒室與噴入的燃空氣經壓氣機壓縮后，流入燃燒室與噴入的燃 油混合后燃燒，形成高溫、高壓的燃氣，再進油混合后燃燒，形成高溫、高壓的燃氣，再進 入燃氣渦輪中膨脹作功，使渦輪高速旋轉并輸入燃氣渦輪中膨脹作功，使渦輪高速旋轉并輸 出功率。出功率。 由燃氣渦輪出來的燃氣，仍具有一定的能由燃氣渦輪出來的燃氣，仍具有一

7、定的能 量，正是這股具有能量的燃氣，才產生了發(fā)動量，正是這股具有能量的燃氣，才產生了發(fā)動 機的推力或輸出功率。機的推力或輸出功率。 利用這股燃氣能量的方式不同，就相應地利用這股燃氣能量的方式不同，就相應地 產生了不同類型的燃氣渦輪發(fā)動機。產生了不同類型的燃氣渦輪發(fā)動機。 5.2.1 5.2.1 燃氣發(fā)生器燃氣發(fā)生器 壓氣機壓氣機 燃氣渦輪燃氣渦輪 燃燒室燃燒室 概述概述 燃氣發(fā)生器由燃氣發(fā)生器由、和和 （簡稱渦輪）所組成。（簡稱渦輪）所組成。 燃氣發(fā)生器用于提供高壓、高溫的燃氣。燃氣發(fā)生器用于提供高壓、高溫的燃氣。 燃氣發(fā)生器又稱發(fā)動機的核心機。燃氣發(fā)生器又稱發(fā)動機的核心機。 燃氣渦輪燃氣渦輪

8、 燃燒室燃燒室 壓氣機壓氣機 5.2.1.1(1) 壓氣機的功用壓氣機的功用 依靠依靠其高速旋轉的工作葉輪對空氣其高速旋轉的工作葉輪對空氣 作功，提高空氣的壓力和溫度，供給發(fā)作功，提高空氣的壓力和溫度，供給發(fā) 動機工作時所需要的壓縮空氣。動機工作時所需要的壓縮空氣。 5.2.1.1(2) 壓氣機的類型壓氣機的類型 根據壓氣機的結構形式和空氣在壓根據壓氣機的結構形式和空氣在壓 氣機中的流動特點，壓氣機分為兩類：氣機中的流動特點，壓氣機分為兩類： 軸流式壓氣機軸流式壓氣機(1) 軸流式壓氣機由于其增壓比大，效率軸流式壓氣機由于其增壓比大，效率 高，單位面積空氣流量大，迎風面積小，高，單位面積空氣流

9、量大，迎風面積小， 所以目前在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，特別所以目前在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，特別 是在大、中型發(fā)動機中被普遍采用。是在大、中型發(fā)動機中被普遍采用。 軸流式壓氣機軸流式壓氣機(2) 軸流式壓氣機的主要部件是軸流式壓氣機的主要部件是和和。 壓氣機轉子壓氣機轉子 轉子轉子由工作葉片、輪盤和軸組成。由工作葉片、輪盤和軸組成。 由一排固定在輪盤上的工作葉片組成的由一排固定在輪盤上的工作葉片組成的 輪子叫做葉輪（也稱工作輪）。輪子叫做葉輪（也稱工作輪）。 葉輪在渦輪的帶動下高速旋轉而工作。葉輪在渦輪的帶動下高速旋轉而工作。 壓氣機靜子壓氣機靜子 靜子是壓氣機中不旋轉的部分，由機靜子是壓氣機中不

10、旋轉的部分，由機 匣和整流葉片組成。匣和整流葉片組成。 一排整流葉片組成一個整流環(huán)，固定一排整流葉片組成一個整流環(huán)，固定 在機匣上在機匣上 。 軸流式壓氣機軸流式壓氣機(3) 軸流式壓氣機的葉輪和整流環(huán)交錯排軸流式壓氣機的葉輪和整流環(huán)交錯排 列。一個葉輪和一個整流環(huán)組成軸流式壓列。一個葉輪和一個整流環(huán)組成軸流式壓 氣機的一氣機的一“級級”，燃氣渦輪發(fā)動機都采用，燃氣渦輪發(fā)動機都采用 多級的型式以提高壓氣機的增壓能力。多級的型式以提高壓氣機的增壓能力。 軸流式壓氣機軸流式壓氣機(4) 軸流式壓氣機工作時，葉輪在渦輪的軸流式壓氣機工作時，葉輪在渦輪的 驅動下高速旋轉，一方面用很大的速度將驅動下高速

11、旋轉，一方面用很大的速度將 空氣向后排；另一方面還利用葉片通道面空氣向后排；另一方面還利用葉片通道面 積的變化使空氣受到一定的壓縮。積的變化使空氣受到一定的壓縮。 從葉輪流出的高速空氣在整流環(huán)的葉從葉輪流出的高速空氣在整流環(huán)的葉 片通道中受到阻滯，流速降低，而壓力增片通道中受到阻滯，流速降低，而壓力增 高，得到進一步的增壓；同時整流葉片還高，得到進一步的增壓；同時整流葉片還 起導向的作用，使從整流環(huán)流出的氣流的起導向的作用，使從整流環(huán)流出的氣流的 方向有利于下一級的工作方向有利于下一級的工作 。 軸流式壓氣機軸流式壓氣機(5) 在高壓比的壓氣機中，為了獲得較大的穩(wěn)定在高壓比的壓氣機中，為了獲得

12、較大的穩(wěn)定 工作范圍，常將壓氣機分為串聯(lián)的兩部分，分別工作范圍，常將壓氣機分為串聯(lián)的兩部分，分別 由兩個渦輪以不同的轉速驅動，其中位于前端的由兩個渦輪以不同的轉速驅動，其中位于前端的 部分，空氣壓力較低，稱為低壓壓氣機；后端的部分，空氣壓力較低，稱為低壓壓氣機；后端的 稱為高壓壓氣機，這種結構形式稱為雙轉子結構。稱為高壓壓氣機，這種結構形式稱為雙轉子結構。 還有的壓氣機還有的壓氣機 是三轉子結構的，是三轉子結構的， 三個壓氣機分別稱三個壓氣機分別稱 為低壓壓氣機、中為低壓壓氣機、中 壓壓氣機、高壓壓壓壓氣機、高壓壓 氣機。氣機。 離心式壓氣機離心式壓氣機(1) 離心式壓氣機的級增壓比較高，結構

13、離心式壓氣機的級增壓比較高，結構 簡單可靠，穩(wěn)定工作范圍較寬，因而在一簡單可靠，穩(wěn)定工作范圍較寬，因而在一 些小型發(fā)動機上得到了廣泛的應用。些小型發(fā)動機上得到了廣泛的應用。 離心式壓氣機離心式壓氣機(2) 離心式壓氣機主離心式壓氣機主 要由導風輪、離心葉要由導風輪、離心葉 輪、擴壓器、集氣管輪、擴壓器、集氣管 等組成。等組成。 離心式壓氣機離心式壓氣機(3) 離心式壓氣機工作時，離心式壓氣機工作時，進入壓氣機的進入壓氣機的 空氣首先進入導風輪進行預旋，增加空氣空氣首先進入導風輪進行預旋，增加空氣 流入離心葉輪的流速；高速旋轉的離心葉流入離心葉輪的流速；高速旋轉的離心葉 輪使空氣獲得動能，相對速

14、度和壓力都增輪使空氣獲得動能，相對速度和壓力都增 大；在慣性離心力的作用下，氣流以很高大；在慣性離心力的作用下，氣流以很高 的速度離開葉輪，進入擴壓器和集氣管；的速度離開葉輪，進入擴壓器和集氣管； 高速氣流在靜止的擴壓器和集氣管的擴散高速氣流在靜止的擴壓器和集氣管的擴散 形通道中流速降低，壓力進一步提高。形通道中流速降低，壓力進一步提高。 5.2.1.2(1) 燃燒室的功用燃燒室的功用 將燃料中所含的化學能轉化為熱能，將燃料中所含的化學能轉化為熱能， 燃料在燃燒過程中所釋放的熱量使流過燃燃料在燃燒過程中所釋放的熱量使流過燃 燒室的空氣的溫度提高。燒室的空氣的溫度提高。 即在燃燒室中，從壓氣機流

15、入的壓縮即在燃燒室中，從壓氣機流入的壓縮 空氣與噴咀噴出的燃油混合燃燒，使燃氣空氣與噴咀噴出的燃油混合燃燒，使燃氣 膨脹加速，向渦輪提供具有一定溫度場的膨脹加速，向渦輪提供具有一定溫度場的 燃氣流。燃氣流。 5.2.1.2(2) 燃燒室的分區(qū)燃燒室的分區(qū) 為了解決穩(wěn)定燃燒和渦輪葉片材料耐為了解決穩(wěn)定燃燒和渦輪葉片材料耐 熱性能對混合氣濃度要求不一致的矛盾，熱性能對混合氣濃度要求不一致的矛盾， 目前燃燒室都采用了目前燃燒室都采用了“空氣分股空氣分股”的措施。的措施。 即在燃燒室里安裝火焰筒，并把火焰筒劃即在燃燒室里安裝火焰筒，并把火焰筒劃 分為分為燃燒區(qū)燃燒區(qū)和和稀釋區(qū)稀釋區(qū)，使從壓氣機流出的，

16、使從壓氣機流出的 空氣分成兩股進入火焰筒空氣分成兩股進入火焰筒 。第一股氣流進。第一股氣流進 入燃燒區(qū)進行燃燒，第二股氣流進入稀釋入燃燒區(qū)進行燃燒，第二股氣流進入稀釋 區(qū)進行降溫。區(qū)進行降溫。 5.2.1.2(3) 燃燒室的分區(qū)燃燒室的分區(qū) 5.2.1.2(4) 燃燒室的類型燃燒室的類型 燃氣渦輪發(fā)動機所使用的燃燒室主燃氣渦輪發(fā)動機所使用的燃燒室主 要有三種類型：要有三種類型： 分管燃燒室分管燃燒室 分管燃燒室的結構分管燃燒室的結構 特點是每一個管式火焰特點是每一個管式火焰 筒的外面都包有一個單筒的外面都包有一個單 獨的外殼，構成一個分獨的外殼，構成一個分 管。一臺發(fā)動機裝有若管。一臺發(fā)動機裝

17、有若 干個這樣的分管，沿發(fā)干個這樣的分管，沿發(fā) 動機圓周均勻地安裝。動機圓周均勻地安裝。 各分管之間用傳焰管聯(lián)各分管之間用傳焰管聯(lián) 通，以傳播火焰和均衡通，以傳播火焰和均衡 壓力。壓力。 聯(lián)管燃燒室聯(lián)管燃燒室 聯(lián)管燃燒室的聯(lián)管燃燒室的 結構特點是將若干結構特點是將若干 個管式火焰筒沿圓個管式火焰筒沿圓 周均勻地安裝在同周均勻地安裝在同 一個內、外殼體構一個內、外殼體構 成的環(huán)腔內，相鄰成的環(huán)腔內，相鄰 火焰筒的燃燒區(qū)之火焰筒的燃燒區(qū)之 間用聯(lián)焰管聯(lián)通間用聯(lián)焰管聯(lián)通 。 環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室 環(huán)形燃燒室的環(huán)形燃燒室的 結構特點是在燃燒結構特點是在燃燒 室內、外殼體之間室內、外殼體之間 的環(huán)腔內安

18、裝了一的環(huán)腔內安裝了一 個由共同的火焰筒個由共同的火焰筒 內、外壁構成的環(huán)內、外壁構成的環(huán) 形燃燒區(qū)和稀釋形燃燒區(qū)和稀釋 區(qū)區(qū) 。 5.2.1.3(1) 燃氣渦輪的功用燃氣渦輪的功用 燃氣渦輪在高溫高壓燃氣的作用下燃氣渦輪在高溫高壓燃氣的作用下 高速旋轉，將燃氣中的部分熱能和壓力高速旋轉，將燃氣中的部分熱能和壓力 能轉換成機械功，帶動壓氣機和附件工能轉換成機械功，帶動壓氣機和附件工 作。作。 航空燃氣渦輪功率大，效率高，轉航空燃氣渦輪功率大，效率高，轉 速快，燃氣溫度高，所以工作條件十分速快，燃氣溫度高，所以工作條件十分 惡劣。惡劣。 5.2.1.3(2) 燃氣渦輪的組成燃氣渦輪的組成 燃氣渦

19、輪的燃氣渦輪的 主要部件也是主要部件也是 和和。 渦輪轉子渦輪轉子 渦輪轉子渦輪轉子由渦輪盤、渦輪軸和工作葉片由渦輪盤、渦輪軸和工作葉片 組成。組成。 渦輪靜子渦輪靜子 渦輪靜子由渦輪機匣和導向器等部分渦輪靜子由渦輪機匣和導向器等部分 組成。組成。 5.2.1.3(3) 導向器和工作葉輪交錯排列。一個導導向器和工作葉輪交錯排列。一個導 向器和一個葉輪組成渦輪的一個向器和一個葉輪組成渦輪的一個“級級”， 渦輪也采用多級的型式以產生較大的功率，渦輪也采用多級的型式以產生較大的功率， 但渦輪的級數要比壓氣機的級數少。但渦輪的級數要比壓氣機的級數少。 為使燃氣膨脹加速，導向器葉片和工為使燃氣膨脹加速，

20、導向器葉片和工 作葉片組成的通道都做成收斂形的；高溫作葉片組成的通道都做成收斂形的；高溫 燃氣通過導向器葉片通道膨脹加速，以高燃氣通過導向器葉片通道膨脹加速，以高 速和適當的角度沖向工作葉片，使工作輪速和適當的角度沖向工作葉片，使工作輪 高速旋轉。高速旋轉。 5.2.1.3(4) 與單轉子、雙與單轉子、雙 轉子和三轉子壓氣轉子和三轉子壓氣 機對應，渦輪結構機對應，渦輪結構 也分為單轉子、雙也分為單轉子、雙 轉子和三轉子。驅轉子和三轉子。驅 動低壓壓氣機的渦動低壓壓氣機的渦 輪叫低壓渦輪，驅輪叫低壓渦輪，驅 動高壓壓氣機的渦動高壓壓氣機的渦 輪則叫高壓渦輪。輪則叫高壓渦輪。 5.2.2 5.2.

21、2 燃氣渦輪發(fā)動機的類型燃氣渦輪發(fā)動機的類型 概述概述 燃氣渦輪發(fā)動機根據燃氣發(fā)生器后面有燃氣渦輪發(fā)動機根據燃氣發(fā)生器后面有 無無“動力渦輪動力渦輪”以及動力渦輪所驅動的以及動力渦輪所驅動的 部件不同，分為四種類型。部件不同，分為四種類型。 所謂所謂動力渦輪動力渦輪是指位于燃氣發(fā)生器后面是指位于燃氣發(fā)生器后面 的一個傳動其他部件的渦輪，從燃氣發(fā)的一個傳動其他部件的渦輪，從燃氣發(fā) 生器出來的燃氣流入這個渦輪中繼續(xù)膨生器出來的燃氣流入這個渦輪中繼續(xù)膨 脹作功。在大多數發(fā)動機中，動力渦輪脹作功。在大多數發(fā)動機中，動力渦輪 與燃氣渦輪沒有機械連系，各自工作于與燃氣渦輪沒有機械連系，各自工作于 不同的轉

22、速，所以動力渦輪也稱為不同的轉速，所以動力渦輪也稱為自由自由 渦輪渦輪。 5.2.2.1(1) 渦輪噴氣發(fā)動機的燃氣發(fā)生器后面直渦輪噴氣發(fā)動機的燃氣發(fā)生器后面直 接布置了一個接布置了一個，燃氣在尾噴管中膨，燃氣在尾噴管中膨 脹加速，以高速由噴管排出，產生推力。脹加速，以高速由噴管排出，產生推力。 尾噴管尾噴管 5.2.2.1(2) 由于渦輪噴氣發(fā)動機的推力是由高速由于渦輪噴氣發(fā)動機的推力是由高速 排出高溫燃氣所獲得的，所以在得到推力排出高溫燃氣所獲得的，所以在得到推力 的同時有不少由燃料燃燒所產生的能量以的同時有不少由燃料燃燒所產生的能量以 燃氣的動能和熱能的形式排出發(fā)動機，能燃氣的動能和熱能

23、的形式排出發(fā)動機，能 量損失較大，因此其耗油率較高。量損失較大，因此其耗油率較高。 5.2.2.1(3) 為了短期內提高渦輪噴氣發(fā)動機的推力，可為了短期內提高渦輪噴氣發(fā)動機的推力，可 在尾噴管前加裝加力燃燒室。在需要增加推力時，在尾噴管前加裝加力燃燒室。在需要增加推力時， 向燃氣中補充噴入燃油進一步燃燒，提高燃氣的向燃氣中補充噴入燃油進一步燃燒，提高燃氣的 速度，達到增加推力的目的。在加力時，由于排速度，達到增加推力的目的。在加力時，由于排 出的燃氣溫度和速度均大大提高，因而能量損失出的燃氣溫度和速度均大大提高，因而能量損失 更大，所以耗油率比非加力時將成倍增加。更大，所以耗油率比非加力時將成

24、倍增加。 5.2.2.1(4) Su-25-27 5.2.2.2(1) 渦輪螺旋槳發(fā)動機的燃氣能量絕大部渦輪螺旋槳發(fā)動機的燃氣能量絕大部 分在動力渦輪中膨脹做功，動力渦輪通過分在動力渦輪中膨脹做功，動力渦輪通過 減速裝置降低轉速后再驅動螺旋槳，燃氣減速裝置降低轉速后再驅動螺旋槳，燃氣 中剩下的很少部分能量在尾噴管中膨脹，中剩下的很少部分能量在尾噴管中膨脹， 產生一小部分推力產生一小部分推力 。 5.2.2.2(2) 5.2.2.2(3) 渦輪螺旋槳發(fā)動機由于有直徑較大的螺旋槳，渦輪螺旋槳發(fā)動機由于有直徑較大的螺旋槳， 所以飛行速度受到限制，一般用于所以飛行速度受到限制，一般用于M=0.50.7

25、的的 飛機上。但是，由于它的排氣能量損失少，推進飛機上。但是，由于它的排氣能量損失少，推進 效率高，所以耗油率低。本世紀效率高，所以耗油率低。本世紀50年代研制的運年代研制的運 輸機上采用這種發(fā)動機的較多，目前其仍是支線輸機上采用這種發(fā)動機的較多，目前其仍是支線 旅客機的主要動力。旅客機的主要動力。 運運7 沖沖8 5.2.2.3(1) 渦輪軸發(fā)動機是直升機的動力，其工渦輪軸發(fā)動機是直升機的動力，其工 作原理和結構基本與渦輪螺旋槳發(fā)動機相作原理和結構基本與渦輪螺旋槳發(fā)動機相 同。不同的是其燃氣發(fā)生器排出的燃氣能同。不同的是其燃氣發(fā)生器排出的燃氣能 量幾乎全部在動力渦輪中膨脹，由噴管排量幾乎全部在動力渦輪中膨脹，由噴管排 出時，氣流速度很低；