第0章 航空發(fā)動機緒論

1、12u學分：3u課時：48u平時成績：40%u考試成績：60%3u王云.航空發(fā)動機原理.北京：北京航空航天大學出版社，2009.（教材）u鄧明.航空燃氣渦輪發(fā)動機原理與構造.北京：國防工業(yè)出版社，2008.u陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構.北京：北京航空航天大學出版社，2010.u劉大響，陳光.航空發(fā)動機飛機的心臟.北京：航空工業(yè)出版社，2003.451903 年12月17日在北卡羅蘭娜州的Kitty Hawk首次實現(xiàn)動力驅(qū)動、可操縱、重于空氣的飛行。6德國一戰(zhàn)德國一戰(zhàn)?？孙w機?？孙w機7美國一戰(zhàn)美國一戰(zhàn)寇蒂斯戰(zhàn)機寇蒂斯戰(zhàn)機8美國陸航的美國陸航的“P-51P-51野馬野馬”戰(zhàn)機戰(zhàn)機9

2、日本的日本的“零式零式”艦載戰(zhàn)機艦載戰(zhàn)機10 B-29 B-29 超級堡壘轟炸機超級堡壘轟炸機11波音波音-777-777飛機飛機波音波音-787-787飛機飛機航空發(fā)動機（aero-engine），是為航空器提供推動力推動力或支持力支持力的裝置，是航空器的心臟心臟。風扇轉(zhuǎn)的風扇轉(zhuǎn)的越快越快，推動空，推動空氣氣流動更快流動更快，即單位時，即單位時間內(nèi)的間內(nèi)的空氣流量越大空氣流量越大。風扇轉(zhuǎn)動空氣流動空氣流動的空氣流動的內(nèi)能內(nèi)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成風車轉(zhuǎn)動的風車轉(zhuǎn)動的機械能。機械能。當當風越大風越大的時候，風車的時候，風車轉(zhuǎn)動越快轉(zhuǎn)動越快。自然來風風車轉(zhuǎn)動燃燒使空氣溫度升高，增加了空氣的能量能量，燃燒越

3、劇烈，空氣能量增加越多。TPV你敢相信嗎？渦噴發(fā)動機結(jié)構與工作過程示意圖（注意：圖中壓氣機和渦輪和軸是一體的）軸也轉(zhuǎn)！軸也轉(zhuǎn)！風車、風扇、軸一體！風扇把空氣從外面吸到里面來風車、風扇、軸一體！噴油燃燒，空氣變熱，能量增加風車、風扇、軸一體！熱氣流過風車，推動風車轉(zhuǎn)動 風車轉(zhuǎn)動推動風扇的轉(zhuǎn)動風車、風扇、軸一體！熱氣流過風車后以高速噴出發(fā)動機。5550()()Fm CVA PPm5A5C5P0PVN F G5550()()Fm CVA PPNF Gm5A5C5P0PVN F G發(fā)動機推力發(fā)動機重量27 1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的飛行者一號飛機上進

4、行飛行試驗。這臺發(fā)動機只發(fā)出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發(fā)動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。u在飛機用于戰(zhàn)爭目的的推動下，航空特別是在歐洲開始蓬勃發(fā)展，法國在當時處于領先地位u美國雖然發(fā)明了動力飛機并且制造了第一架軍用飛機，但在參戰(zhàn)時連一架可用的新式飛機都沒有。在前線的美國航空中隊的6287架飛機中有4791架是法國飛機，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發(fā)動機的“斯佩德”戰(zhàn)斗機。這種發(fā)動機的功率已達130220kW, 功重比為0.7kW/daN左右。飛機速度超過200k

5、m/h，升限6650m。（這個時候大多數(shù)戰(zhàn)斗機采用的都是液冷式）u1908年由法國塞甘兄弟發(fā)明旋轉(zhuǎn)汽缸氣冷星型發(fā)動機曾風行一時。這種曲軸固定而汽缸旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機終因功率的增大受到限制，在固定汽缸的氣冷星型發(fā)動機的冷卻問題解決之后退出了歷史舞臺l兩次世界大戰(zhàn)期間的技術更新：u發(fā)動機整流罩：減阻，解決發(fā)動機冷卻問題，改變設計（兩排或四排氣缸發(fā)動機）u廢氣渦輪增壓器：改善高空性能u變矩螺旋槳：增加螺旋槳效率和發(fā)動機功率輸出u內(nèi)充金屬鈉的冷卻排氣門u向氣缸內(nèi)噴水和甲醇混合液短時間增加功率1/3u高辛烷值燃料，抗爆，增壓，提高功率，降低油耗u從20世紀20年代中期開始，氣冷發(fā)動機發(fā)展迅速，但液冷發(fā)動機仍有

6、一席之地在此期間，在整流罩解決了阻力和冷卻問題后，氣冷星型發(fā)動機由于有剛性大，重量輕，可靠性、維修性和生存性好，功率增長潛力大等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展,并開始在大型轟炸機、運輸機和對地攻擊機上取代液冷發(fā)動機。在20世紀20年代中期，美國萊特公司和普惠公司先后發(fā)展出單排的“旋風”和“颶風”以及“黃蜂”和“大黃蜂發(fā)動機，最大功率超過400kW，功重比超過1kW/daN。到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，由于雙排氣冷星型發(fā)動機的研制成功，發(fā)動機功率已提高到600820kW。此時，螺旋槳戰(zhàn)斗機的飛行速度已超過500km/h，飛行高度達10000m。第二次世界大戰(zhàn)開始之后和戰(zhàn)后的主要技術：直接注油渦輪組合發(fā)動機低壓點

7、火在兩次世界大戰(zhàn)的推動下，發(fā)動機的性能提高很快，單機功率從小10 kW增加到2500 kW左右功率重量比從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦耗油率從約0.50 kg/(kWh)降低到0.230.27 kg/(kWh)。翻修壽命從幾十小時延長到20003000h。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，活塞式發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000 m?？梢哉f，活塞式發(fā)動機已經(jīng)達到其發(fā)展的頂峰噴氣時代的活塞發(fā)動機：u噴氣時代的活塞式發(fā)動機 在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于渦輪噴

8、氣發(fā)動機的發(fā)明而開創(chuàng)了噴氣時代，活塞式發(fā)動機逐步退出主要航空領域，但功率小于370 kW的水平對缸活塞式發(fā)動機發(fā)動機仍廣泛應用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農(nóng)林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機，旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機在無人機上嶄露頭角，而且美國NASA還正在發(fā)展用航空煤油的新型二沖程柴油機供下一代小型通用飛機使用。1913年法國工程師雷恩羅蘭獲得一項沖壓式噴氣發(fā)動機的專利。1930年英國弗蘭克惠特爾取得燃氣渦輪發(fā)動機專利。1939年，法國的裝有渦輪噴氣發(fā)動機的飛機He-178飛機第一次飛行成功。 其發(fā)動機是德國發(fā)明制造的，Hes3B；世界上第一臺實用的渦輪噴氣發(fā)動機是德國的尤莫-00

9、4，1940年10月開始臺架試車，1941年12月推力達到980daN，1942年7月18日裝在梅塞施米特Me-262飛機上試飛成功。自1944年9月至1945年5月，Me-262共擊落盟軍飛機613架，自己損失200架（包括非戰(zhàn)斗損失）1941年5月14日，英國的渦輪噴氣發(fā)動機裝備的飛機E28/39也飛行成功，英國第一種實用發(fā)動機則出現(xiàn)在1943年由羅羅公司推出的威蘭德，推力為755daN，推重比2.0。裝載于“流星”戰(zhàn)斗機，該機曾在英吉利海峽成功攔截德國V-2導彈1953年裝有渦噴發(fā)動機的美國“超佩刀”F-100戰(zhàn)斗機首次突破音障，實現(xiàn)了超音速飛行。1976年美國的戰(zhàn)略偵察機“黑鳥”SR-

10、71創(chuàng)造了渦噴發(fā)動機飛機的速度世界記錄3529.56km/n。1977年，前蘇聯(lián)的米格-25“蝙蝠俠”截擊/戰(zhàn)略轟炸機創(chuàng)造了渦噴發(fā)動機飛機的升限世界記錄37650m。最早裝燃氣渦輪發(fā)動機的民航機是英國“子爵”號，裝有四臺“達特”渦槳發(fā)動機，1950年投入航線飛行第一架裝有渦噴發(fā)動機的民航機是英國的“彗星”號，“四發(fā)”，1952年投入航線使用之后，前蘇聯(lián)的圖104（1956年）、美國的波音707（1958年）、DC-8和康維爾880/990等，第一代噴氣民航機20世紀60年代，渦輪風扇發(fā)動機研制成功。這種發(fā)動機耗油率低，噪聲小，使噴氣民航機變得更加經(jīng)濟和舒適，大大促進了民航運輸業(yè)的發(fā)展。20世紀

11、70年代后，高涵道渦扇發(fā)動機研制成功。一、發(fā)動機推力大，質(zhì)量小二、發(fā)動機燃油消耗率低三、發(fā)動機應具有較好的高空和速度性能四、發(fā)動機結(jié)構尺寸要小五、發(fā)動機可靠性要好六、發(fā)動機的環(huán)境污染要小七、發(fā)動機的使用壽命要長八、發(fā)動機要便于維護l活塞式發(fā)動機 在航空活塞式發(fā)動機內(nèi)，燃料燃燒后放出的熱能，通過氣體膨脹，推動活塞而轉(zhuǎn)換為機械能，機械能用來帶動螺旋槳而產(chǎn)生拉力。l噴氣式發(fā)動機 噴氣發(fā)動機把燃料燃燒后放出的熱能轉(zhuǎn)換為氣體的動能，使氣體向外高速噴出而產(chǎn)生推力。42按基本工作原理方面的差別區(qū)分按基本工作原理方面的差別區(qū)分四行程發(fā)動機四行程發(fā)動機二行程發(fā)動機二行程發(fā)動機按發(fā)動機使用的燃料種類區(qū)分輕油發(fā)動機

12、 使用汽油、酒精等揮發(fā)性較高的燃料重油發(fā)動機 使用柴油等揮發(fā)性較低的燃料按形成混合氣的方式區(qū)分汽化器式發(fā)動機直接噴射式發(fā)動機按混合氣著火的方法區(qū)分點燃式發(fā)動機 電嘴產(chǎn)生電火花點燃混合氣壓燃式發(fā)動機 不裝電嘴按冷卻發(fā)動機的方法區(qū)分氣冷式發(fā)動機 直接利用飛行中的迎面氣流來冷卻氣缸液冷式發(fā)動機 利用循環(huán)流動的冷卻液來冷卻氣缸按氣缸排列的方式區(qū)分直列型發(fā)動機 直立型、對立型、V型、W型、H型、X型等星型發(fā)動機 單排、雙排、多排按空氣進入氣缸以前是否增壓區(qū)分吸氣式發(fā)動機 外界空氣直接吸入氣缸增壓式發(fā)動機 空氣經(jīng)增壓器提高壓力后進入氣缸氣冷式（星型）氣冷式（星型）液冷式（液冷式（V型）型）渦噴發(fā)動機工作時

13、，連續(xù)不斷地吸入空氣，空氣在發(fā)動機中經(jīng)過壓縮、燃燒和膨脹過程產(chǎn)生高溫高壓燃氣從尾噴管噴出，流過發(fā)動機的氣體動量增加，使發(fā)動機產(chǎn)生反作用推力。渦噴發(fā)動機既是熱機，又是推進器。噴氣發(fā)動機和活塞發(fā)動機比較相同：均以空氣和燃氣為工作介質(zhì)。不同： 進入活塞發(fā)動機的空氣不是連續(xù)的，而燃氣輪機的空氣是連續(xù)的。 活塞發(fā)動機等容燃燒；燃氣輪機等壓燃燒。（一）推力（功率）大，質(zhì)量?。ǘ┧俣刃阅芎茫ㄈ脧V泛火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機固體火箭發(fā)動機固體火箭發(fā)動機液體火箭發(fā)動機液體火箭發(fā)動機空氣噴氣發(fā)動機空氣噴氣發(fā)動機無壓氣機式空無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機氣噴氣發(fā)動機有壓氣機式空氣有壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機沖壓式

14、噴氣發(fā)動機沖壓式噴氣發(fā)動機脈動式噴氣發(fā)動機脈動式噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機火箭發(fā)動機自身帶有氧化劑，燃料燃燒時不需要外界輸入空氣來助燃，可以在真空中飛行，飛行高度不受限制。根據(jù)采用的燃料不同，分為固體燃料火箭發(fā)動機和液體燃料火箭發(fā)動機兩種。發(fā)動機采用黑色火藥、無煙火藥等固體燃料。固體燃料火箭發(fā)動機能產(chǎn)生巨大的推力，但工作時間段且不易控制。發(fā)動機通常以煤油、酒精或液態(tài)氫作為燃料，以液態(tài)氧、硝酸等作為氧化劑。液體燃料火箭發(fā)動機工作時間長，推力大且可調(diào)節(jié)。主要用于發(fā)射人造地球衛(wèi)星、載人宇宙飛船、航天飛機等

15、大型宇宙飛行器。使用液體火箭發(fā)動機創(chuàng)造大氣層內(nèi)飛機飛行速度紀錄6.72馬赫的X-15高超音速試驗機液體火箭發(fā)動機液體燃料輸送系統(tǒng)、燃燒室、噴管液體火箭發(fā)動機液體燃料輸送系統(tǒng)、燃燒室、噴管組成。組成。燃料劑和氧化劑在燃燒室氣化、混合、燃燒，從噴燃料劑和氧化劑在燃燒室氣化、混合、燃燒，從噴管管噴出噴出產(chǎn)生推進力。產(chǎn)生推進力。 空氣噴氣發(fā)動機自身只帶有燃料，燃料燃燒時用外界空氣中的氧氣助燃。只能在大氣中工作，飛行高度受到一定的限制。工質(zhì)是空氣。根據(jù)有無壓氣機分為：沖壓噴氣發(fā)動機燃氣渦輪噴氣發(fā)動機飛行時，迎面氣流在發(fā)動機前和進入進氣道內(nèi)依靠降低速度，增大壓力，然后在燃燒室內(nèi)與燃料混合并燃燒，高溫、高壓

16、燃氣在噴管內(nèi)膨脹加速，最后向外噴出，產(chǎn)生推力。沖壓空氣噴氣發(fā)動機沖壓空氣噴氣發(fā)動機 脈動式空氣噴氣發(fā)動機脈動式空氣噴氣發(fā)動機發(fā)動機工作時，空氣的壓縮除了利用沖壓的作用外，主要依靠專門的壓氣機來完成。用于飛機的航空燃氣輪機： 渦輪噴氣發(fā)動機 渦輪風扇發(fā)動機 渦輪螺槳發(fā)動機用于直升飛機的航空燃氣輪機： 渦輪軸發(fā)動機68渦輪噴氣發(fā)動機是最簡單的一種航空燃氣輪機，它只是在燃氣發(fā)生器出口處安裝了尾噴管，將高溫高壓燃氣的能量通過尾噴管(推進器) 轉(zhuǎn)變?yōu)槿細獾膭幽?，使發(fā)動機產(chǎn)生反作用推力 。單軸渦輪噴氣發(fā)動機 雙軸渦輪噴氣發(fā)動機加力渦輪噴氣發(fā)動機（渦輪與尾噴管之間設置加力燃燒室） 70飛機的螺槳是發(fā)動機的主

17、要推進器。 飛行高度低飛行速度慢是使用渦輪螺槳發(fā)動機的主要缺點。飛行高度不超過5000米，飛行速度一般不超過700公里/小時。 渦輪風扇發(fā)動機有內(nèi)外兩個涵道，在內(nèi)涵燃氣發(fā)生器出口增加動力渦輪，將燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的一部分或大部分可用功，通過動力渦輪傳遞給外涵通道中的壓氣機，大多數(shù)情況下，外涵壓氣機葉片是將內(nèi)涵壓氣機葉片向外延伸，習慣上將內(nèi)外涵共用的壓氣機稱為風扇。在外涵道中的風扇葉片、尾噴管和內(nèi)涵尾噴管是渦輪風扇發(fā)動機的推進器。外涵空氣流量與內(nèi)涵空氣流量之比，稱為涵道比，用B表示。 目前民用旅客機都采用大涵道比的渦輪風扇發(fā)動機，而軍用殲擊機所用的渦輪風扇發(fā)動機則為帶有加力燃燒室的小涵通比渦輪風扇發(fā)動機。渦輪風扇發(fā)動機圖民用大涵道比渦輪風扇發(fā)動機 軍用小涵道比渦輪風扇發(fā)動機 渦輪軸發(fā)動機用于直升機，與渦槳發(fā)動機相類似，將燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的可用功幾乎全部從動力渦輪軸上輸出，帶動直升機的旋翼和尾槳。渦輪軸發(fā)動機簡圖 機身內(nèi)后部機身內(nèi)后部 機翼根部機翼