航空發(fā)動機新技術(shù)第一章第一節(jié)課件

第一章航空發(fā)動機的作用和發(fā)展第一節(jié)航發(fā)的作用、效益和特點1，航發(fā)性能發(fā)展特點及其趨勢①推重比從2~8~11②燃油消耗率③飛機推重比從0.4提高到1.2，提高了飛機的機動性和短距離起降的能力④最大馬赫數(shù)從最初的亞聲速發(fā)展到跨聲速，到目前廣泛的M2，甚至M4~6⑤旋轉(zhuǎn)噴口和升力發(fā)動機技術(shù)成全了垂直起降的飛機⑥矢量噴口技術(shù)，使得飛機具備超強的機動性⑦反推力裝置有效減少了機場跑道長度飛機推力矢量技術(shù)是通過改變發(fā)動機排氣方向為飛機提供更強的轉(zhuǎn)向力矩的技術(shù)。飛機推力矢量技術(shù)的應(yīng)用能賦予戰(zhàn)斗機超機動性、短距起降和低的可探測性，極大地提高戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)有效性和生存能力。美國、俄羅斯等發(fā)達國家都將其作為重要技術(shù)優(yōu)先發(fā)展。在飛機推力矢量技術(shù)的研究中，改變發(fā)動機排氣方向，即推力矢量噴管的研究是關(guān)鍵且具決定意義的一環(huán)。軸對稱矢量噴管(AVEN)是在常規(guī)機械式收擴噴管上發(fā)展出來的一種推力矢量噴管，通過噴管擴散段的偏轉(zhuǎn)改變發(fā)動機排氣方向。就整個飛機推力矢量技術(shù)來講書P100最具代表性的F119組成：3級風扇、6級壓氣機、環(huán)型燃燒室、單級高低壓渦輪，加力燃燒室和二元推力矢量噴管構(gòu)成特點：結(jié)構(gòu)簡單可靠、耐久性高、可靠性和保障性好等特點。作為第四代發(fā)動機，與第三代相比，在發(fā)動機結(jié)構(gòu)上有如下變化：發(fā)動機的涵道比較小，為0.2~0.4；總增壓比提高，為26~35；渦輪前燃氣溫度為1850K~2000K，3級風扇的增壓比也有所增加，達到4左右；推重比明顯增大，為9~12，耗油率降低8%~10%，可靠性增加了一倍，耐久性提高兩倍。第四代發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點：①風扇為2~3級，高壓壓氣機為5~6級。②燃燒室為多為短環(huán)型燃燒室；③高壓渦輪均為單級；低壓渦輪為1~2級；④加力燃燒室均為短加力燃燒室；⑤噴管采用多種形式，如采用二元推力矢量噴管，軸對稱收斂擴散噴管，二元收斂擴散噴管第四代發(fā)動機先進技術(shù)特點：①采用復合材料的風扇機匣，風扇和壓氣機葉片采用三維起動設(shè)計②整體葉盤，空心葉片，阻燃鈦合金壓氣機葉片③燃燒室三維數(shù)值計算和雙旋流的空氣霧化噴嘴，帶旋流的混合噴嘴，浮動壁火焰筒，多孔冷卻火焰筒④對轉(zhuǎn)渦輪，多孔層板渦輪葉片，徑向加力燃燒室，推力矢量噴管，陶瓷復合材料噴管調(diào)節(jié)片，提高了渦輪前燃氣溫度和跨聲速壓氣機、渦輪的效率，降低了涵道比。噴氣發(fā)動機火箭發(fā)動機空氣噴氣發(fā)動機固體火箭發(fā)動機液體火箭原子火箭無壓氣機有壓氣機沖壓脈沖渦噴渦扇渦軸渦槳軸流式渦噴離心式渦噴組合發(fā)動機沖壓+渦噴=組合組合通過核心機產(chǎn)生高溫高壓的燃氣渦扇發(fā)動機按排氣方式不同分類：①分開排氣式渦輪風扇發(fā)動機②混合排氣渦輪風扇發(fā)動機按風扇安裝位置、發(fā)動機轉(zhuǎn)子數(shù)目不同分類：①前風扇發(fā)動機（主力，如混排加力渦扇發(fā)動機）②后風扇發(fā)動機③高位風扇發(fā)動機按轉(zhuǎn)子數(shù)目分（略）此外還有特殊形式的渦扇發(fā)動機，如供短距起降的多涵道渦扇發(fā)動機。軍用渦扇一般為：帶復燃加力燃燒室的混合排氣渦輪風扇發(fā)動機，簡稱：混排式加力渦扇發(fā)動機。基本的工作原理（從工熱效率、推進效率衡量）粗講P、T、c在來流（遠前方）、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力和尾噴管的變化情況。推力產(chǎn)生原因：產(chǎn)生推力的原因是燃料在燃燒室內(nèi)部燃燒，向氣體加入了熱量，這些熱量經(jīng)過熱力循環(huán)，以產(chǎn)生推力的方式轉(zhuǎn)化為機械能。渦扇的P、T、C變化圖渦噴的P、T、C變化圖3，發(fā)動機效率發(fā)動機工作時，消耗的燃料所產(chǎn)生的熱量不可能全部轉(zhuǎn)換為推動飛機前進的推進功，飛機中能量轉(zhuǎn)換的有效程度可用三種有效效率表示，有效效率（熱效率），推進效率和總效率：顯然，總效率等于推進效率乘以有效效率（熱效率），即：1）渦扇發(fā)動機①有效效率，按公式，可用功就是發(fā)動機所產(chǎn)生的全部有效功，消耗的燃料能是耗油量和燃油的低熱值Hf的乘積②推進效率當C9=V時，此時效率為1，發(fā)動機推力為0；而當V=0時，效率為0。因此，只要推力不為0，效率總是小于1的，即燃氣的氣動增量不可能全部轉(zhuǎn)換為推進功。2）渦噴發(fā)動機①熱效率同前②推進效率渦噴發(fā)動機大于渦扇發(fā)動機，尤其在亞音速飛行時，所以渦扇推進效率比渦噴高。亞音速時，=1.5~1.8，此時渦扇效率介于0.7~0.8之間，高空加力超聲速時，=2.2~2.4，效率為0.6；地空跨聲速飛行，加力工作狀態(tài)下，=3.0~3.2，此時效率為0.5③總效率所以總效率反應(yīng)了發(fā)動機作為熱機和推進器的完善程度，它表明消耗的燃料能中有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M功，通常=0.2~0.353）渦槳①有效效率（熱效率）由此可見：渦槳發(fā)動機有效效率與單位燃料消耗率和燃料的低熱值成反比。②推進效率由此可見：推進效率即為螺旋槳的效率。在螺旋槳飛機中，主要推進器是螺旋槳，所以其推進效率可由螺旋槳效率來表示。③總效率即螺旋槳的總效率等于有效效率和螺旋槳效率的乘積。螺旋槳效率和渦噴推進效率隨飛行速度的變化性能指標推力指標經(jīng)濟性指標使用性指標①推力與單位推力②推重比③迎面推力（單位截面上的最大推力）①耗油量②耗油率工作可靠起動迅速加速性好壽命長，易于維護單位推力：單位：目前燃氣渦輪發(fā)動機在地面最大狀態(tài)工作時，可見飛機速度變化時只能以作為經(jīng)濟指標2，航機在國防和國民經(jīng)濟中的作用①優(yōu)秀的航發(fā)技術(shù)可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟②航發(fā)銷售額可觀，占航空工業(yè)總產(chǎn)值的20~30%③航機他用：1>燃機發(fā)電2>潛艇船舶動力3>坦克動力3.航發(fā)研究和發(fā)展特點①研制周期長②費用高③難度高第二節(jié)世界航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展分析1，戰(zhàn)斗機的發(fā)展（簡述）從美國第三代為代表的F100,到第四代F119，從推重比為8，上升到11.2，預計到未來推重比15~20表1-1列出了現(xiàn)役發(fā)動機的主要參數(shù)和用途F110F135美國空軍對第四代戰(zhàn)機發(fā)動機的要求：①具有超音速巡航能力，不加力馬赫數(shù)為1.5~1.6②為飛機提供短距離起降和非常規(guī)機動能力③具有隱身能力，發(fā)動機的紅外輻射和雷達散射信號要盡可能的小④發(fā)動機加力推重比提高20%⑤零部件數(shù)量減少40~60%，可靠性提高一倍，耐久性提高2倍⑥壽命期費用降低25~30%表1-2列出了第四代戰(zhàn)斗發(fā)動機的主要參數(shù)和用途3，21世紀的戰(zhàn)斗發(fā)動機（1）推重比為15~20的發(fā)動機方案（2）超聲速垂直起落戰(zhàn)斗機裝置（1）提高發(fā)動機推重比推重比為15~20發(fā)動機與F100發(fā)動機相比，具有以下先進特點：①風扇由3級減少為1級，并且采用先進氣動設(shè)計，且為空心結(jié)構(gòu)②壓氣機由9級減為3級，轉(zhuǎn)子為鼓筒式結(jié)構(gòu)，采用金屬基復合材料，重量比原來相比減少70%（或級間冷卻）③火焰筒材料為陶瓷基復合材料，大大提高出口溫度和其均勻分布④高、低壓渦輪均為單級，采用陶瓷基復合材料，重量比金屬材料減少30%，T3溫度可以高達2200K及以上⑤綜合以上條件，在結(jié)構(gòu)上大大減少了風扇和壓氣機數(shù)量，采用了先進的復合材料，在重量上減輕了很多，推重比大大提高，因此新的發(fā)動機很可能不采用加力。⑥尾噴管采用全方位矢量噴口（2）超聲速垂直起落戰(zhàn)斗機動力裝置①目前只有兩種亞聲速垂直起降飛機，英國鷂式，前蘇聯(lián)的雅克-38②原理：燃氣通過可轉(zhuǎn)向的噴管噴出和采用升力風扇。4，運輸機發(fā)動機的發(fā)展分軍用民用兩類，軍用為渦槳，民用為渦扇，特點均為亞聲速，耗油率低（1）2萬daN以上的發(fā)動機一般用于250以上座級客機表1-3列出了三種90年代大涵道比渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)采用共同技術(shù)參數(shù)：①采用高涵道比，高總增壓比和較高渦輪前溫度②重量輕的無凸臺風扇葉片設(shè)計，采用復合材料③高效的三維葉輪機氣動設(shè)計④低污染燃燒室⑤長壽命零件②10000~20000daN的發(fā)動機1>一般用于150~250座級客機2>主要代表：RR公司和PH公司的RB211-535和PW2000，用于波音7573>表1-4列出了現(xiàn)役的CFM56和V2500發(fā)動機的參數(shù)③＜10000daN的發(fā)動機①用于小型客機或100~130座級的客機②代表：BR175、CFM56、PW6000③參數(shù)見表1-55，21世紀運輸機發(fā)動機的發(fā)展趨勢（1）亞聲速發(fā)動機①采用超大涵道比，目的：提高推進效率和耗油率②高循環(huán)參數(shù)核心機，目的：提高熱效率發(fā)展：05年投入發(fā)動機比90年代耗油降低15%~20%，飛機使用經(jīng)濟成本降低8~10%，到2015年投入發(fā)動機耗油預計降低30%，預計飛機成本提高12~15%，表1—6發(fā)展趨勢（2）超聲速和高超聲速的發(fā)動機①特點：價格、高油耗、噪聲和污染物排放②機種：渦扇，組合發(fā)動機（渦輪和沖壓）和沖壓發(fā)動機③研制中的渦扇發(fā)動機可以達到M=56，直升機的發(fā)展(1)現(xiàn)役渦軸發(fā)動機（第四代）第三代為20世紀70年代末和80年代初投入使用。詳細參數(shù)見1-8（2）研制中的渦軸發(fā)動機第四代渦軸發(fā)動機主要為美國的T500，已定型且用于阿帕奇直升機上，此類發(fā)動機特點

①采用整體粒子分離器，提高防砂能力②壓氣機為雙級離心式，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性好，便于維修并且耐腐蝕和抗外物能力強③采用回流型燃燒室和氣動霧化噴嘴④裝備先進數(shù)字電控系統(tǒng)（3）21世紀直升機動力發(fā)展趨勢發(fā)展方向：①提高發(fā)動機循環(huán)參數(shù)和部件效率②發(fā)展高速旋翼推進技術(shù)詳細發(fā)展趨勢見1-9較高的增壓比和渦輪前燃氣溫度內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進特點：①要提高總增壓比，即采用混合壓氣機，即軸流式加離心式②提高渦輪前燃氣溫度，采用徑向內(nèi)流式冷卻渦輪外部結(jié)構(gòu)（提高速度）①采用變直徑旋翼或可變輸出轉(zhuǎn)速的發(fā)動機②折疊式