航空发动机

航空航天概论第3章飞行器动力系统3.1发动机的分类及特点燃气涡轮发航空航天动机冲压喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺桨发动机涡轮桨扇发动机涡轮轴发动机垂直起落发动机液体火箭发动机固体火箭发动机活塞式发动机火箭冲压发动机发动机航空航天发动机火箭发动机组合涡轮冲压发发动机动机火箭涡轮喷气发动机化学火箭发动机固-液混合火箭发动机电火箭发动机核火箭发动机非化学火箭发动机太阳能火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统航空航天概论3.2活塞式航空发动机3.2.1活塞式发动机的主要组成排气活门汽缸进气活门活塞连杆曲轴3.2.2活塞式发动机的工作原理进气压缩燃烧排气活塞式航空发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.2.3活塞式发动机的辅助系统进气系统冷却系统燃料系统启动系统点火系统定时系统活塞式航空发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统活塞式发动机的冷却方式星形X形V形直立式对立式星形发动机直立式发动机V形发动机活塞式航空发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统活塞8发动机双排14缸星形气冷发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.2.4航空活塞式发动机主要性能指标发动机功率——发动机可用与驱动螺旋桨的功率称为有效功率（kW）功率重量比——发动机提供的功率和发动机重量之比（kW/kg）燃料消耗率(耗油率)——衡量发动机经济性的指标，产生1kW功率在每小时所消耗的燃料的质量（kg/kWh)活塞式航空发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.3空气喷气发动机气球起花点火燃烧后向上飞升平衡状态反作用力作用力自动旋转喷灌器喷嘴喷出高压水流的反作用力驱动喷管沿立轴旋转航空航天概论第3章飞行器动力系统高压燃气向后喷射过程使发动机产生向前的推力空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.3.1燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的核心机——压气机燃烧室涡轮涡轮喷气发动机涡轮螺桨发动机涡轮轴发动机涡轮风扇发动机涡轮桨扇发动机垂直起落发动机空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统1、涡轮喷气发动机组成部件进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管进气道系统整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证发动机所需的空气量；将高速气流逐渐降下来，尽量将动能转变为压力势能，保证压气机有良好的工作条件空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统进气道系统进气道的形状Ma1Ma1亚声速进气道超声速进气道空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统进气道系统进气道的布局位置——机头正面进气腹部进气两侧进气（机身、翼根）背部进气短舱正面进气空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统歼七歼八机头正面进气空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统歼十F-16腹部进气ef2000空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统Saab35两侧进气（机身、翼根）鹞歼八II空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统背部进气F-117X-45B-2空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统短舱正面进气三叉戟空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统压气机提高进入发动机燃烧室的空气压力离心式压气机空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统压气机轴流式压气机静子转子空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统压气机轴流式压气机叶轮整流环叶轮旋转方向空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统燃烧室燃料与高压空气混合燃烧的地方空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统燃烧室涡流器空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统涡轮将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变为机械能，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件工作叶轮导向器空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统加力燃烧室功用：使燃烧更充分燃烧，产生更大的推力。空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统尾喷管整理燃烧后的气流支板整流锥喷口燃气膨胀，加速喷出产生推力亚音速喷管——收敛形超音速喷管——拉瓦尔喷管空气喷气发动机涡轮喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.3.2空气喷气发动机的主要性能参数推力——作用在发动机内外表面上压力的合力(N)单位推力——每单位流量的空气(kg/s)进入发动机所产生的推力推重比——发动机推力(地面最大工作状态下)和其结构重量之比单位耗油率——产生单位推力(1N)每小时所消耗的燃油量(kg/Nh)发动机经济性的主要指标空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统2、涡轮螺桨发动机螺旋桨提供拉力，燃气提供少量推力低亚声速飞行时效率高，耗油率小，经济性能好螺旋桨减速齿轮进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统C-130大力神运7图95战略轰炸机航空航天概论第3章飞行器动力系统3、涡轮风扇发动机能量损失小耗油率低经济性好噪音水平低效率高起飞推力大涡轮风扇发动机的结构参见教材涵道比：外股气流与内股气流流量之比发展方向：低涵道比的军用加力发动机高涵道比、高涡轮前温度、高增压比的民用发动机涡扇9空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统Su27秦岭”WS-9涡扇发动机Boeing777航空航天概论第3章飞行器动力系统4、涡轮桨扇发动机推进效率高，省油；适用于高亚音速飞行空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统安70航空航天概论第3章飞行器动力系统5、涡轮轴发动机现代直升机的主要动力比活塞发动机易于启动、功率大、质量轻、体积小，振动小，噪声低，航程、速度、升限、装载量大；耗油率较大空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统AH64航空航天概论第3章飞行器动力系统6、垂直起落发动机可转喷口的涡轮扇发动机空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统垂直起落发动机可转喷口的涡轮扇发动机鹞空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统垂直起落发动机X-32B可转喷口的涡轮扇发动机空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统升力风扇发动机垂直起落发动机周缘涡轮升力风扇涡轮喷气发动机管道尾喷管换向活门X-35空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.3.3冲压喷气发动机组成——进气道（扩压器）、燃烧室、尾喷管燃油喷嘴燃油室进口推进喷管特点：构造简单，质量轻，推重比大，成本低，高速状态(Ma2)下，经济性好，耗油率低；低速时推力小、耗油率高，静止时不能产生推力，工作范围窄，对飞行状况的变化敏感空气喷气发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统V1导弹中国C-101超音速反舰导弹。采用两台冲压发动机。图中显示了C-101发射时火箭助推器工作的情景X43A航空航天概论第3章飞行器动力系统3.3.4涡轮喷气发动机的工作状态起飞状态：推力最大，发动机的转速和涡轮前温度都最高，允许工作5～10min最大状态：起飞推力的85%～90%，工作时间不超过30额定状态：推力等稍低于最大状态，连续工作巡航状态：起飞推力的65%～75%耗油率低，经济性好，连续工作慢车状态：起飞推力的3%～5%，稳定工作的最小转速状态，效率很低，允许工作5～10min航空航天概论第3章飞行器动力系统3.4火箭发动机不仅自带燃烧剂，而且自带氧化剂3.4.1火箭发动机的主要性能参数推力(N)冲量和总冲推力对工作时间的积分反映了发动机工作能力的大小（N·s）比冲发动机燃烧1kg推进剂所产生的能量（m/s)航空航天概论第3章飞行器动力系统3.4.2液体火箭发动机1、单组元液体火箭发动机结构简单，能量低，比冲低火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统2、双组元液体火箭发动机（1）液体火箭发动机的组成及工作原理燃烧剂箱及输送系统燃烧室喷管氧化剂箱及输送系统喷注器推进剂输送系统推力室(喷注器、燃烧室、喷管)航空航天概论流量调节控制活门冷却系统……火箭发动机第3章飞行器动力系统推进剂输送系统功用：按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂挤压式输送系统泵式输送系统结构简单可靠，易实现多次起动，结构质量较大航空航天概论系统结构复杂，但质量轻火箭发动机第3章飞行器动力系统推力室功用：将液体推进剂混合、燃烧，化学能转变成推力喷注器燃烧室喷管火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统（2）液体推进剂①对推进剂的要求能量高良好的物理和化学安定性无毒性，对金属无腐蚀作用推进剂中有一组元传热性好，可用来冷却推力室壁粘度小燃烧性能好经济性好、成本低火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统②主要的液体推进剂氧化剂——液氧O2液氟F2硝酸HNO3过氧化氢H2O2四氧化二氮N2O4燃烧剂——液氢H2航空煤油(CH3)2N2H2混胺肼及其衍生物N2H4火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3、液体火箭发动机的优缺点优点——比冲高，推力范围大，能反复起动推力大小较易控制，工作时间长固体推进剂性能稳定，可长期贮存缺点——推进剂不宜长期贮存，作战使用性能差火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.4.3固体火箭发动机1、固体火箭发动机的组成及工作原理组成——药柱、燃烧室、喷管组件、点火装置壳体前盖主药柱传动机构喷管点火器推力终止装置航空航天概论侧喷管火箭发动机第3章飞行器动力系统2、固体火箭发动机的推进剂（1）固体推进剂的种类（2）药柱形状和特点一维药柱三维药柱二维药柱火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统（3）固体火箭发动机的优缺点优点——结构简单，可靠性高操作简便固体推进剂性能稳定，可长期贮存缺点——推进剂能量比液体推进剂低，比冲较小工作时间短，燃烧室压力和工作时间对装药初始温度较敏感推力大小、方向调节困难重复起动困难，一般只能一次性工作火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.4.4固-液混合火箭发动机1、固-液混合发动机的组成和工作原理2、固-液混合发动机的特点混合推进剂性能较好；结构较简单推力调节、重复起动方便火箭发动机航空航天概论第3章飞行器动力系统3.5组合发动机3.5.1火箭发动机与冲压发动机组合可调进气口加力喷嘴燃烧室供氧与供油可调喷管航空航天概论第3章飞行器动力系统3.5.2涡轮喷气发动机与冲压发动机组合低马赫数高马赫数3.5.3火箭发动机与涡轮喷气发动机组合航空航天概论第3章飞行器动力系统3.6非常规推进系统电推进系统核推进系统太阳能推进系统航空航天概论第3章飞行器动力系统SMART-1探测器及其太阳能离子发动机将太阳能转化为电能，再通过电能电离惰性气体原子，喷射出高速氙离子流，为探测器提供主要动力航空航天概论第3章飞行器动力系统日本国家空间发展局的MUSES-C航天器，使用4台Y-2发动机。Y-2微波离子发动机是针对小行星交会采样飞行任务的需要而研制的一种微波电离式离子发动机。航空航天概论第3章飞行器动力系统