航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造 第十章 其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)

1、第10章其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)簡介Introduction of Other Aero-engine第10.1節(jié) 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)aircraft piston engine從1903年第一架飛機(jī)升空到第二次世界大戰(zhàn)末期，所有飛機(jī)都用活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。40年代中期在軍用飛機(jī)和大型民用機(jī)上燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)逐步取代了活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)，但小功率活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)比燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)，在輕型低速飛機(jī)上仍得到應(yīng)用。航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是利用汽油與空氣混合，在密閉的容器（氣缸）內(nèi)燃燒，膨脹作功的機(jī)械?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)必須帶動(dòng)螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推（拉）力。所以，作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳是不能分割的。（一

2、）活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組成主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成。氣缸是混合氣（汽油和空氣）進(jìn)行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸頭上裝有點(diǎn)燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進(jìn)、排氣門。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。氣缸在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（機(jī)匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)動(dòng)機(jī)有5個(gè)、7個(gè)、9個(gè)、14個(gè)、18個(gè)或24個(gè)氣缸不等。圖10.1.1 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖在單缸容積相同的情況下，氣缸 數(shù)目越多發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大。活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過連桿將這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿用來連接活塞和曲

3、軸。 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過減速器帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動(dòng)一些附件（如各種油泵、發(fā)電機(jī)等）。氣門機(jī)構(gòu)用來控制進(jìn)氣門、排氣門定時(shí)打開和關(guān)閉。圖10.1.2 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)排列布置形式（二）活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理活塞頂部在曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置叫上死點(diǎn)、最近的位置叫下死點(diǎn)、從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離叫活塞沖程?；钊胶娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)大多是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，即一個(gè)氣缸完成一個(gè)工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個(gè)沖程，依次是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)，首先進(jìn)入“進(jìn)氣沖程”，氣缸頭上的進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上死點(diǎn)向下滑動(dòng)到下死點(diǎn)為止，氣缸

4、內(nèi)的容積逐漸增大，氣壓降低低于外面的大氣壓。于是新鮮的汽油和空氣的混合氣體，通過打開的進(jìn)氣門被吸入氣缸內(nèi)。混合氣體中汽油和空氣的比例，一般是 1比 15即燃燒一公斤的汽油需要15公斤的空氣。進(jìn)氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時(shí)曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點(diǎn)向上推動(dòng)。這時(shí)進(jìn)氣門也同排氣門一樣嚴(yán)密關(guān)閉。氣缸內(nèi)容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強(qiáng)烈壓縮。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，混合氣體被壓縮在上死點(diǎn)和氣缸頭之間的小空間內(nèi)。這個(gè)小空間叫作“燃燒室”。這時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)加到十個(gè)大氣壓。溫度也增加到攝氏4OO度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個(gè)小小空間里

5、的混合氣體的壓強(qiáng)大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。當(dāng)活塞處于下死點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的容積最大，在上死點(diǎn)時(shí)容積最?。ê笳咭彩侨紵业娜莘e）。混合氣體被壓縮的程度，可以用這兩個(gè)容積的比值來衡量。這個(gè)比值叫“壓縮比”。活塞航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比大約是5到8，壓縮比越大，氣體被壓縮得越厲害，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率也就越大。壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個(gè)沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點(diǎn)時(shí)，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點(diǎn)燃，燃燒時(shí)間很短，大約0.015秒；但是速度很快，大約達(dá)到每秒30米。氣體猛烈膨脹，壓強(qiáng)急劇增高，可達(dá)6O到75個(gè)大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到250O度。

6、燃燒時(shí)，局部溫度可能達(dá)到三、四千度，燃?xì)饧拥交钊系臎_擊力可達(dá)15噸。活塞在燃?xì)獾膹?qiáng)大壓力作用下，向下死點(diǎn)迅速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿也門下跑，連桿便帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)起來了。圖10.1.3 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理這個(gè)沖程是使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作而獲得動(dòng)力的唯一沖程。其余三個(gè)沖程都是為這個(gè)沖程作準(zhǔn)備的。第四個(gè)沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。這時(shí)進(jìn)氣門仍舊關(guān)閉，而排氣門大開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。 當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，活塞又由上死點(diǎn)下行，開始了新的一次循環(huán)。從進(jìn)氣沖程吸入新鮮混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣

7、止，汽油的熱能通過燃燒轉(zhuǎn)化為推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過程叫做一個(gè)“循環(huán)”。這是一 種周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)。由于其中包含著熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫做“熱循環(huán)”。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與壓縮比和燃燒后工質(zhì)溫度有關(guān)過大的壓縮比會(huì)使工質(zhì)的壓力和溫度過高,燃油可能在未被電嘴點(diǎn)火前就自動(dòng)燃燒并形成爆震波，引起汽缸局部過熱和增大零件負(fù)荷，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。提高汽油的辛烷值是提高壓縮比、防止爆震的有效措施。航空汽油的辛烷值一般在 100以上。每個(gè)汽缸能發(fā)出的功率受到工質(zhì)溫度的限制。每升活塞排量發(fā)出的功率稱為升功率，一般為2244千瓦（3060馬力），個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)59千瓦（80馬力），活塞排

8、量是指活塞在汽缸內(nèi)自最下端移至最上端所掃過的容積活塞航空發(fā)動(dòng)機(jī)要完成四沖程工作，除了上述氣缸、活塞、聯(lián)桿、曲軸等構(gòu)件外，還需要一些其他必要的裝置和構(gòu)件。（三）活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助工作系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)除主要部件外，還須有若干輔助系統(tǒng)與之配合才能工作。主要有進(jìn)氣系統(tǒng)（為了改善高空性能，在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器，其功用是增大進(jìn)氣壓力）、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)（主要包括高電壓磁電機(jī)、輸電線、火花塞）、起動(dòng)系統(tǒng)（一般為電動(dòng)起動(dòng)機(jī)）、散熱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等。第10.2節(jié) 沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) Ramjet沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一種利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。它通常由進(jìn)氣道（又稱擴(kuò)壓器）、燃

9、燒室、推進(jìn)噴管三部組成。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沒有壓氣機(jī)（也就不需要燃?xì)鉁u輪），所以又稱為不帶壓氣機(jī)的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時(shí)的相對氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道中減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能（例如進(jìn)氣速度為3倍音速時(shí)，理論上可使空氣壓力提高37倍）。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)，高速氣流迎面向發(fā)動(dòng)機(jī)吹來，在進(jìn)氣道內(nèi)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后進(jìn)入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200甚至更高，高溫燃?xì)怆S后經(jīng)推進(jìn)噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與進(jìn)氣速度有關(guān)，如進(jìn)氣速度為3倍音速時(shí)，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過2OO千牛。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造簡單、

10、重量輕、推重比大、成本低。但因沒有壓氣機(jī)，不能在靜止的條件下起動(dòng)，所以不宜作為普通飛機(jī)的動(dòng)力裝置，而常與別的發(fā)動(dòng)機(jī)配合使用，成為組合式動(dòng)力裝置。如沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合等。安裝組合式動(dòng)力裝置的飛行器，在起飛時(shí)開動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，待飛行速度足夠使沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的時(shí)，再使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而關(guān)閉與之配合工作的發(fā)動(dòng)機(jī)；在著陸階段，當(dāng)飛行器的飛行速度降低至沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作時(shí)，又重新起動(dòng)與之配合的發(fā)動(dòng)機(jī)。如果沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力裝置單獨(dú)使用時(shí)，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時(shí)，才能將沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后投放。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

11、或組合式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般用于導(dǎo)彈和超音速或亞音速靶機(jī)上。按應(yīng)用范圍劃分，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)分為亞音速、超音速、高超音速三類。 一、亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用擴(kuò)散形進(jìn)氣道和收斂形噴管，以航空煤油為燃料。飛行時(shí)增壓比不超過 1.89，飛行馬赫數(shù)小于 O.5時(shí)一般不能正常工作。亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)用在亞音速航空器上，如亞音速靶機(jī)。二、超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用超音速進(jìn)氣道（燃燒室入口為亞音速氣流）和收斂形或收斂擴(kuò)散形噴管，用航空煤油或烴類燃料。超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)速度為亞音速6倍音速，用于超音速靶機(jī)和地對空導(dǎo)彈（一般與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相配合）。三、高超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)這種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒在超音速下進(jìn)行

12、，使用碳?xì)淙剂匣蛞簹淙剂希w行馬赫數(shù)高達(dá)516，目前高超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)正處于研制之中。 由于超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室入口為亞音速氣流，也有將前兩類發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)稱為亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，而將第三種發(fā)動(dòng)機(jī)稱為超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)。第10.3節(jié) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī) Rocket火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是我國勞動(dòng)人民首先創(chuàng)造出來的。早在唐代初年(約在七世紀(jì)）火藥就出現(xiàn)了，南宋時(shí)代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。大約在十三世紀(jì)制成火箭。我國古代制造的火箭和起花所用的是黑色火藥。它們的工作原理和現(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。同空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是：它自身既帶燃料，又帶氧化劑，靠氧化劑來助燃，不需要從周圍的大氣層中

13、汲取氧氣。所以它不但能在大氣層內(nèi)，也可在大氣層之外的宇宙真空中工作。這是任何空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都做不到的。目前發(fā)射的人造衛(wèi)星、 月球飛船以及各種宇宙飛行器所用的推進(jìn)裝置，都是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要分固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)。所謂“推進(jìn)劑”就是燃料（燃燒劑）加氧化劑的合稱。 一、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為使用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。固體推進(jìn)劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于燃燒室（一般即為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）中。

14、在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受25O035O0度的高溫和1022×107帕的高壓力，所以須用高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)燃藥柱，通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后由電熱絲點(diǎn)燃黑火藥，再由黑火藥點(diǎn)火燃藥拄。噴管除使燃?xì)馀蛎浖铀佼a(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細(xì)鈬娚浣嵌?，從而?shí)現(xiàn)推力方向的改變。藥柱燃燒完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)便停止工作。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，推進(jìn)劑密度大，推進(jìn)劑可以儲(chǔ)存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是“比沖”小（也叫比推力

15、，是發(fā)動(dòng)機(jī)推力與每秒消耗推進(jìn)劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在25O300秒，工作時(shí)間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動(dòng)困難，從而不利于載人飛行。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起飛的助推發(fā)動(dòng)機(jī)。 二、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是指液體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。常用的液體氧化劑有液態(tài)氧、四氧化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)箱中。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成。推力室是將液體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進(jìn)力的重要組件。它由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成，見圖。推進(jìn)劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化，蒸發(fā)，混合和燃燒等過成生成燃燒產(chǎn)物，以高速（25O0一5000米秒）從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可達(dá)2O0大氣壓（約20OMPa）、溫度300O400O，故需要冷卻。推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進(jìn)劑。按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調(diào)定的壓力控制）進(jìn)入氧化劑、燃燒劑貯箱，將