各種飛機發(fā)動機原理.doc

1、一、活塞式發(fā)動機航空活塞式發(fā)動機是利用汽油與空氣混合，在密閉的容器（氣缸）內(nèi)燃燒，膨脹作功的機械?；钊桨l(fā)動機必須帶動螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推（拉）力。所以，作為飛機的動力裝置時，發(fā)動機與螺旋槳是不能分割的。主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構(gòu)、螺旋槳減速器、機匣等組成。氣缸是混合氣（汽油和空氣）進行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復運動。氣缸頭上裝有點燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進、排氣門。發(fā)動機工作時氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴大散熱面積。氣缸在發(fā)動機殼體（機匣）上的排列形式多為星形或V 形。常見的星形發(fā)動機有5 個、 7 個、 9 個、 14 個、 18 個或

2、24個氣缸不等。在單缸容積相同的情況下，氣缸數(shù)目越多發(fā)動機功率越大?；钊惺苋細鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復運動，并通過連桿將這種運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發(fā)動機輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動時，通過減速器帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發(fā)電機等）。氣門機構(gòu)用來控制進氣門、排氣門定時打開和關閉。二、渦輪噴氣發(fā)動機在第二次世界大戰(zhàn)以前，所有的飛機都采用活塞式發(fā)動機作為飛機的動力，這種發(fā)動機本身并不能產(chǎn)生向前的動力， 而是需要驅(qū)動一副螺旋槳，使螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)，以此推動飛機前進。這種活塞式發(fā)動機螺旋槳的組合一直是飛機固定的推進模式，很少有人提

3、出過質(zhì)疑。到了三十年代末，尤其是在二戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭的需要，飛機的性能得到了迅猛的發(fā)展，飛行速度達到700 800 公里每小時，高度達到了10000 米以 上，但人們突然發(fā)現(xiàn)，螺旋槳飛機似乎達到了極限，盡管工程師們將發(fā)動機的功率越提越高，從1000 千瓦，到2000千瓦甚至3000 千瓦，但飛機的速度仍沒有明顯的提高，發(fā)動機明顯感到“有勁使不上”。問題就出在螺旋槳上，當飛機的速度達到800 公里每小時，由于螺旋槳始終在高速旋轉(zhuǎn)，槳尖部分實際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時，由于螺旋槳的迎風面積較大，帶來的阻力也較大，而且，隨著飛行高度的上升，大氣變

4、稀薄，活塞式發(fā)動機的功率也會急劇下降。 這幾個因素合在一起，決定了活塞式發(fā)動機螺旋槳的推進模式已經(jīng)走到了盡頭，要想進一步提高飛行性能，必須采用全新的推進模式，噴氣發(fā)動機應運而生。噴氣推進的原理大家并不陌生，根據(jù)牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴氣發(fā)動機在工作時，從前端吸入大量的空氣，燃 燒后高速噴出，在此過程中，發(fā)動機向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動機一個反作用力，推動飛機前進。事實上，這一原理很早就被應用于實踐中，我們玩過的爆竹，就是依* 尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。早在 1913 年，法國工程師雷恩洛蘭就獲得了一項噴氣發(fā)動機的專利，但這是一種

5、沖壓式噴氣發(fā)動機，在當時的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。1930 年，弗蘭克惠特爾取得了他使用燃氣渦輪發(fā)動機的第一個專利，但直到11 年后，他的發(fā)動機在完成其首次飛行，惠特爾的這種發(fā)動機形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的基礎。現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發(fā)動機仍屬于熱機的一種，就必須 遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此， 從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動機和活塞式發(fā)動機是相同的，都需要有進氣、加壓、 燃 燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發(fā)動機中這4 個階段是分時依

6、次進行的，但在噴氣發(fā)動機中則是連續(xù)進行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機的各個部分，就對 應著活塞式發(fā)動機的四個工作位置。當飛機飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發(fā)動機，由于飛機飛行的速度是變化的，而壓氣機適應的來流速度是有一定的范圍的，因而進氣道的功能就是通過可調(diào)管道，將來流調(diào)整為合適的速度。在超音速飛行時，在進氣道前和進氣道內(nèi)氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機中的壓力提高倍數(shù)，因而產(chǎn)生了單 * 速度沖壓，不需壓氣機的沖壓噴氣發(fā)動機。進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機時，壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時，

7、壓氣機是氣流增壓的主要部件。從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內(nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機械能，帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，在渦輪噴氣發(fā)動機中，氣 流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經(jīng)過燃燒后，渦輪前的燃氣能量大大增加，因而在渦輪中的膨脹比遠 小于壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多，發(fā)動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。從渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續(xù)膨脹，以高速沿發(fā)動機軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進入發(fā)動機的速度大得多，使發(fā)動機獲得了反作用的推力。三、渦輪風扇發(fā)動機自從惠特爾

8、發(fā)明了第一臺渦輪噴氣發(fā)動機以后，渦輪噴氣發(fā)動機很快便以其強大的動力、 優(yōu)異的高速性能取代了活塞式發(fā)動機，成為戰(zhàn)斗機的首選動力裝置，并開始 在其他飛機中開始得到應用。但是，隨著噴氣技術(shù)的發(fā)展，渦輪噴氣發(fā)動機的缺點也越來越突出，那就是在低速下耗油量大，效率較低，使飛機的航程變得很短。盡管這對于執(zhí)行防空任務的高速戰(zhàn)斗機還并不十分嚴重，但若用在對經(jīng)濟性有嚴格要求的亞音速民用運輸機上卻是不可接受的。要提高噴氣發(fā)動機的效率，首先要知道什么式發(fā)動機的效率。發(fā)動機的效率實際上包括兩個部分，即熱效率和推進效率。為提高熱效率，一般來講需要提高燃氣在渦輪前的溫度和壓氣機的增壓比，但在飛機的飛行速度不變的情況下，提高

9、渦輪前溫度將會使噴氣發(fā)動機的排氣速度增加，導致在空氣中損失的動能增加，這樣又 降低了推進效率。由于熱效率和推進效率對發(fā)動機循環(huán)參數(shù)矛盾的要求，致使渦輪噴氣發(fā)動機的總效率難以得到較大的提升。 那么， 如何才能同時提高噴氣發(fā)動機的熱效率和推進效率，也就是怎樣才能既提高渦輪前溫度又至少不增加排氣速度呢？答案就是采用渦輪風扇發(fā)動機。這種發(fā)動機在渦輪噴氣發(fā)動機的的基礎上增加了幾級渦輪，并由這些渦輪帶動一排或幾排風扇，風扇后的氣流分為兩部分，一部分進入壓氣機（內(nèi)涵道），另一部分則不經(jīng)過燃燒，直接排到空氣中（外涵道）。由于渦輪風扇發(fā)動機一部分的燃氣能量被用來帶動前端的風扇，因此降低了排氣速度，提高了推進效率

10、，而且， 如果為提高熱效率而提高渦輪前溫度后，可以通過調(diào)整渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經(jīng)風扇傳遞到外涵道，就不會增加排氣速度。這樣，對于渦輪風扇發(fā)動機來講， 熱效率和推進效率不再矛盾，只要結(jié)構(gòu)和材料允許，提高渦輪前溫度總是有利的。目前航空用渦輪風扇發(fā)動機主要分兩類，即不加力式渦輪風扇發(fā)動機和加力式渦輪風扇發(fā)動機。前者主要用于高亞音速運輸機，后者主要用于殲擊機，由于用途不同，這兩類發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)也大不相同。不加力式渦輪風扇發(fā)動機不僅渦輪前溫度較高，而且風扇直徑較大，涵道比可達8 以上，這種發(fā)動機的經(jīng)濟性優(yōu)于渦輪噴氣發(fā)動機，而可用飛行速度又比活塞式發(fā)動機高， 在現(xiàn)代大型干線客機、

11、軍用運輸機等最大速度為M0.9 左右的飛機中得到廣泛的應用。根據(jù)熱機的原理，當發(fā)動機的功率一定時，參加推進的工質(zhì)越多，所 獲得的推力就越大，不加力式渦輪風扇發(fā) 動機由于風扇直徑大，空氣流量就大，因而推力也較大。同時由于排氣速度較低，這種發(fā)動機的噪音也較小。加力式渦輪風扇發(fā)動機在飛機巡航中是不開加力的，這時它相當于一臺不加力式渦輪風扇發(fā)動機，但為了追求高的推重比和減小阻力，這種發(fā)動機的涵道比一般在 1.0 以下。在高速飛行時，發(fā)動機的加力打開，外涵道的空氣和渦輪后的燃氣一同進入加力燃燒室噴油后再次燃燒，使推力可大幅度增加，甚至超過了加力式渦輪噴氣發(fā)動機，而且隨著速度的增加，這種發(fā)動機的加力比還會

12、上升，并且耗油率有所下降。加力式渦輪風扇發(fā)動機由于具有這種低速時較油耗低，開加力時推重比大的特點，目前已在新一代殲擊機上得到廣泛應用。四、脈動噴氣發(fā)動機脈動噴氣發(fā)動機是噴氣發(fā)動機的一種，可用于靶機，導彈或航空模型上。德國納粹在第二次世界大戰(zhàn)的后期，曾用它來推動V-1 導彈， 轟炸過倫敦。這種發(fā)動機的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的前部裝有單向活門，之后是含有燃油噴嘴和火花塞的燃燒室，最后是特殊設計的長長的尾噴管。脈動噴氣發(fā)動機工作時，首先把壓縮空氣打入單向活門，或使發(fā)動機在空中運動， 這時便有氣流進入燃燒室，然后油咀噴油，火花塞點火燃燒。這時長尾噴管在燃氣噴出后， 由于燃氣流的慣性作用，雖然燃燒室內(nèi)的壓強同

13、外面大氣的壓強相等，仍會繼續(xù)向外噴，所以在燃燒室內(nèi)造成空氣稀薄的現(xiàn)象，使壓強顯著降低到小于大氣壓，于是空氣再次打開單向活門流入燃燒室，噴油點火燃燒，開始第二個循環(huán)。這樣周而復始，發(fā)動機便可不斷地工作了。這種發(fā)動機由進氣到燃燒、排氣的循環(huán)過程進行得很快，一秒鐘大約可達4050次。脈動式發(fā)動機在原地可以起動，構(gòu)造簡單，重量輕，造價便宜。這些都是它的優(yōu)點。但它只適于低速飛行（速度極限約為每小時 640800公里），飛行高度也有限，單向活門的工作壽命短，加上振動劇烈，燃油消耗率大等缺點，使得它的應用受到限制。五、渦輪軸發(fā)動機帶有壓氣機的渦輪發(fā)動機這一類型中，渦輪軸發(fā)動機出現(xiàn)得較晚，但已在直升機和垂直短

14、距起落飛機上得到了廣泛的應用。渦輪軸發(fā)動機于1951 年 12月開始裝在直升機上，作第一次飛行。那時它屬于渦輪螺槳發(fā)動機，并沒有自成體系。以后隨著直升機在軍事和國民經(jīng)濟上使用越來越普遍，渦輪軸發(fā)動機才獲得獨立的地位。在工作和構(gòu)造上，渦輪軸發(fā)動機同渦輪螺槳發(fā)動機根相近。它們都是由渦輪風扇發(fā)動機的原理演變而來，只不過后者將風扇變成了螺旋槳，而前者將風扇變成了直升機的旋翼。除此之外， 渦輪軸發(fā)動機也有自己的特點：它一般裝有自由渦輪（ 即不帶動壓氣機，專為輸出功率用的渦輪 ） ， 而且主要用在直升機和垂直短距起落飛機上。在構(gòu)造上，渦輪軸發(fā)動機也有進氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管等燃氣發(fā)生器基本構(gòu)造，但它

15、一般都裝有自由渦輪，如圖所示， 前面的是兩級普通渦輪，它帶動 壓氣機， 維持發(fā)動機工作，后面的二級是自由渦輪，燃氣在其中作功，通過傳動軸專門用來帶動直升機的旋翼旋轉(zhuǎn)，使它升空飛行。此外，從渦輪流出來的燃氣，經(jīng)過尾噴管噴出，可產(chǎn)生一定的推力，由于噴速不大，這種推力很小，如折合為功率，大約僅占總功率的十分之一左右。有時噴速過小，甚至不產(chǎn)生什么推力。為了合 理地安排直升機的結(jié)構(gòu)，渦輪軸發(fā)動機的噴口，可以向上，向下或向兩側(cè)，不象渦輪噴氣發(fā)動機那樣非向后不可。這有利于直升機設計時的總體安排。渦輪軸發(fā)動機是用于直升機的，它與旋翼配合，構(gòu)成了直升機的動力裝置。按照渦輪風扇發(fā)動機的理論，從理論上講，旋翼的直徑

16、愈大愈好。同樣的核心發(fā)動機，產(chǎn) 生同樣的循環(huán)功率，所配合的旋翼直徑愈大，則在旋翼上所產(chǎn)生的升力愈大。事實上，由于在能量轉(zhuǎn)換過程中有損失，旋翼也不可能制成無限大，所以，旋翼的直徑是有限制的。般說，通過旋翼的空氣流量是通過渦輪軸發(fā)動機的空氣流量的500-1000 倍。同渦輪軸發(fā)動機和直升機常用的另一種動力裝置活塞發(fā)動機采相比，渦輪軸發(fā)動機的功率重量比要大得多，在 2.5 以上。 而且就發(fā)動機所產(chǎn)生的功率來說， 渦輪軸發(fā)動機也大得多，目前使用中的渦輪軸發(fā)動機所產(chǎn)生的功率，最高可達6000 馬力甚至10000 馬力， 活塞發(fā)動則相差很遠。在經(jīng)濟性上，渦輪軸發(fā) 動機的耗油率略高于最好的活塞式發(fā)動機，但它

17、所用的航空煤油要比前者所用的汽油便宜， 這在一定程度上得到了彌補。當然， 渦輪軸發(fā)動機也有其不足之處。它制 造比較困難，制造成本也較高。特別是由于旋翼的轉(zhuǎn)速更低，它需要比渦輪螺旋槳發(fā)動機更重更大的減速齒輪系統(tǒng)，有時它的重量竟占發(fā)動機總重量一半以上。六、渦輪螺旋槳發(fā)動機一般來說，現(xiàn)代不加力渦輪風扇發(fā)動機的涵道比是有著不斷加大的趨勢的。因為對于渦輪風扇發(fā)動機來說，若飛 行速度一定，要提高飛機的推進效率，也就是要降低排氣速度和飛行速度的差值，需要加大涵道比；而同時隨著發(fā)動機材料和結(jié)構(gòu)工藝的提高，許用的渦輪前溫度也 不斷提高，這也要求相應地增大涵道比。對于一架低速(500600km/h)的飛機來說，在

18、一定的渦輪前溫度下，其適當?shù)暮辣葢獮?0 以上，這顯然是發(fā)動機的結(jié)構(gòu)所無法承受的。為了提高效率，人們索性便拋去了風扇的外涵殼體，用螺旋槳代替了風扇，便形成了渦輪螺旋槳發(fā)動機，簡稱渦槳發(fā)動機。渦輪螺旋槳發(fā)動機由螺旋槳和燃氣發(fā)生器組成， 螺旋槳由渦輪帶動。由于螺旋槳的直徑較大，轉(zhuǎn)速要遠比渦輪低，只有大約1000 轉(zhuǎn) /分，為使渦輪和螺旋槳都工作在正常的范圍內(nèi)，需要在它們之間安裝一個減速器，將渦輪轉(zhuǎn)速降至十分之一左右后，才可驅(qū)動螺旋槳。這種減速器的負荷重，結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，它的重量一般相當于壓氣機和渦輪的總重，作為發(fā) 動機整體的一個部件，減速器在設計、制造和試驗中占有相當重要的地位。渦輪螺旋槳

19、發(fā)動機的螺旋槳后的空氣流就相當于渦輪風扇發(fā)動機的外涵道，由于螺旋槳的直徑比發(fā)動機大很多，氣流量也遠大于內(nèi)涵道，因此這種發(fā)動機實際上 相當于一臺超大涵道比的渦輪風扇發(fā)動機。盡管工作原理近似，但渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機在產(chǎn)生動力方面卻有著很大的不同， 渦輪螺旋槳發(fā)動機的主要功率輸出方式為螺旋槳的軸功率，而尾噴管噴出的燃氣推力極小，只占總推力的5%左右，為了驅(qū)動大功率的螺旋槳，渦輪級數(shù)也比渦輪風扇發(fā)動機要多，一般為26級。同活塞式發(fā)動機+螺旋槳相比，渦輪螺旋槳發(fā)動機有很多優(yōu)點。首先，它的功率大，功重比(功率/ 重量)也大，最大功率可超過10000 馬力，功重比為4 以上；而活塞式發(fā)動機最大不

20、過三四千馬力，功重比2 左右。其次，由于減少了運動部件，尤其是沒有做往復運動的活塞，渦輪螺旋槳發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好，噪音 小， 工作壽命長，維修費用也較低。而且，由于核心部分采用燃氣發(fā)生器，渦輪螺旋槳發(fā)動機的適用高度和速度范圍都要比活塞式發(fā)動機高很多。在耗油率方面，二 者相差不多，但渦輪螺旋槳發(fā)動機所使用的煤油要比活塞式發(fā)動機的汽油便宜。由于涵道比大，渦輪螺旋槳發(fā)動機在低速下效率要高于渦輪風扇發(fā)動機，但受到螺旋槳效率的影響，它的適用速度不能太高，一般要小于900km/h。目前 在中低速飛機或?qū)Φ退傩阅苡袊栏褚蟮难策?、反潛或滅火等類型飛機中的到廣泛應用。七、螺槳風扇發(fā)動機螺槳風扇發(fā)動機是一種介于

21、渦輪風扇發(fā)動機和渦輪螺旋槳發(fā)動機之間的一種發(fā)動機形式，其能和后者的經(jīng)濟性結(jié)合起來，目前正處于研究和實驗階段。槳風扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)見圖，它由燃氣發(fā)生器和一副螺槳- 風扇 （因為實在無法給這個又象螺旋槳又象風扇的東東起個名字，只好叫它螺槳-風扇）組成。 螺槳 - 風扇由渦輪驅(qū)動，無涵道外殼，裝有減速器，從這些來看它有一點象螺旋槳；但是它的直徑比普通螺旋槳小，葉片數(shù)目也多（一般有68葉），葉片又薄又寬，而且前緣后掠，這些又有些類似于風扇葉片。根據(jù)渦輪風扇發(fā)動機的原理，在飛行速度不變的情況下，涵道比越高，推進效率就越高，因此現(xiàn)代新型不加力渦輪風扇發(fā)動機的涵道比越來越大，已經(jīng)接近了結(jié)構(gòu)所能承受的極限；而去

22、掉了涵道的渦輪螺旋槳發(fā)動機盡管效率較高，但由于螺旋槳的速度限制無法應用于M0.8M0.95 的現(xiàn)代高亞音速大型寬體客機，螺槳風 扇發(fā)動機的概念則應運而生。由于無涵道外殼，螺槳風扇發(fā)動機的涵道比可以很大，以正在研究中的一種發(fā)動機為例，在飛行速度為 M0.8 時， 帶動的空氣量約為內(nèi)涵空氣流量的100 倍， 相當于涵道比為100， 這是渦輪風扇發(fā)動機所望塵莫及的，將其應用于飛機上，可將高空巡航耗油率較目前高涵道比輪風扇發(fā)動機降低15%左右。同渦輪螺旋槳發(fā)動機相比，螺槳風扇發(fā)動機的可用速度又高很多，這是由它們?nèi)~片形狀不同所決定的。普通螺旋槳葉片的葉型厚度大以保證強度，彎度大以保證升力系數(shù)，從剖面來看

23、，這種葉型實際上就是典型的低速飛機的機翼剖面形狀，它在低速情況下效率很高，但一旦接近音速，效率就急劇下降，因此裝有渦輪螺旋槳發(fā)動機的飛機速度限制在M0.6M0.65 左右；而螺槳-風扇的既寬且薄、前緣尖銳并帶有后掠的葉型則類似于超音速機翼的剖面形狀，這種葉型的跨音速性能就要好的多，在飛行速度為M0.8 時仍有良好的推進效率， 是目前新型發(fā)動機中最有希望的一種。當然， 螺槳風扇發(fā)動機也有其缺點，由于轉(zhuǎn)速較高，產(chǎn)生的振動和噪音也較大，這對舒適性有嚴格要求的客機來講是一個難題。另外，暴露在空氣中的螺槳- 風 扇的氣動設計也是目前研究的難點所在。八、沖壓噴氣發(fā)動機沖壓噴氣發(fā)動機是一種利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機。它通常由進氣道（又稱擴壓器）、燃燒室、推進噴管三部組成。沖壓發(fā)動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發(fā)動機。這種發(fā)動機壓縮空氣的方法，是 * 飛行器高速飛行時的相對氣流進入發(fā)動機進氣道中減速，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能（例如進氣速度為3 倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37 倍） 。 沖壓發(fā)動機的工作時，高速氣流迎面向發(fā)動機吹來，在進氣道內(nèi)擴張減速，氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油（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