第一讲-燃气涡轮发动机概述

燃气涡轮发动机概述长沙航空职业技术学院航空维修工程学院授课人贾斯法2一、航空燃气涡轮发动机分类1.涡轮螺桨发动机2.涡轮轴发动机3.地面燃气轮机4.涡轮喷气发动机5.涡轮风扇发动机授课人贾斯法31.涡轮螺旋桨发动机（WJ）授课人贾斯法41.涡轮螺旋桨发动机（WJ）安－70超大型运输机授课人贾斯法51.涡轮螺旋桨发动机（WJ）特征：不直接产生推力，通过减速器带动螺旋桨；螺桨转速不变，桨角变化，得到不同推力；发动机在高亚音飞行时，热力效率高；用于低速运输机及轻型飞机。授课人贾斯法61.涡轮螺旋桨发动机（WJ）授课人贾斯法71.涡轮螺旋桨发动机（WJ）涡轮螺桨发动机结构简图授课人贾斯法82.涡轮轴发动机（WZ）BoeingAH-64DApacheLongbowSikorskyUH-60LBlackHawk带有两级减速器；用于直升飞机上授课人贾斯法92.涡轮轴发动机（WZ）授课人贾斯法航空发动机结构设计102.涡轮轴发动机（WZ）慕尼黑涡轮联合公司/透博梅卡/罗罗MTR390授课人贾斯法112.涡轮轴发动机（WZ）T-700涡轴发动机授课人贾斯法122.涡轮轴发动机（WZ）授课人贾斯法132.涡轮轴发动机（WZ）授课人贾斯法142.涡轮轴发动机（WZ）授课人贾斯法153.地面用燃气轮机油田灭火机授课人贾斯法163.地面用燃气轮机野外发电机授课人贾斯法174.涡轮喷气发动机-(WP)用于歼六强五涡喷六（WP-6）发动机授课人贾斯法184.涡轮喷气发动机-(WP)授课人贾斯法194.涡轮喷气发动机-(WP)204.涡轮喷气发动机-(WP)授课人贾斯法214.涡轮喷气发动机—进气道作用、结构、工作特点防止外物打伤；防冰授课人贾斯法224.涡轮喷气发动机—压气机作用:提高进入燃烧室的空气压力重要参数:增压比(P出口/P进口)影响发动机性能好坏的一个主要参数授课人贾斯法234.涡轮喷气发动机—燃烧室作用、特点、构造授课人贾斯法244.涡轮喷气发动机—涡轮作用：燃气膨胀作功驱动压气机组成：静子转子特点：高温、高转速涡轮前燃气温度—影响发动机性能好坏的一个重要参数授课人贾斯法254.涡轮喷气发动机—涡轮燃气在涡轮叶片中流动授课人贾斯法264.涡轮喷气发动机—尾喷管作用：燃气膨胀以高速(550-600米/秒)喷出授课人贾斯法274.涡轮喷气发动机-(WP)气流在发动机进、出口的变化进气速度为零，排气速度大增根据牛顿第三定律，这股流过发动机的气流产生发动机的推力。授课人贾斯法284.涡轮喷气发动机-(WP)发动机的推力TT=G空气×(W出口－W进口)/gG空气:每秒流进发动机的空气量，kg/sW出口:尾喷管流出的燃气速度，m/sW进口:流进发动机的空气速度，m/s授课人贾斯法294.涡轮喷气发动机-(WP)加力燃烧室装在涡轮后，短期供入燃油燃烧,使排气温度、速度增加，增加发动机推力。授课人贾斯法304.涡轮喷气发动机-(WP)经济性差高温、高速燃气由尾喷管排出，能量量损失大，因此经济性差。特别在开加力时，经济性更差。耗油率SFC涡轮喷气发动机耗油率大，约0.90kg/kgf/h授课人贾斯法314.涡轮喷气发动机-(WP)授课人贾斯法324.涡轮喷气发动机-(WP)在航空发展史中占有重要地位但存在着较大的缺点能否发展一种既能产生大的推力，经济性又好的发动机?授课人贾斯法335.涡轮风扇发动机-(WS)授课人贾斯法34涡轮风扇发动机特征：将涡轮出来的燃气再流入一个涡轮，在涡轮中膨胀作功，向前驱动一个直径比原有压气机大的风扇(结构同于压气机)风扇出来的空气一部分流入压气机(称内涵)，一部分由压气机外部流过(称外涵)授课人贾斯法35涡轮风扇发动机特征（续）由尾喷管喷出的燃气速度低了，内涵推力小了外涵气流也产生推力推力大了，排出的能量小了耗油率低了，比涡喷约低1/3涡扇发动机推力=内涵推力+外涵推力涡喷发动机推力授课人贾斯法36波音－707飞机性能的变化起飞滑跑距离减少29.4%最大航程增加27.6%爬升率提高110%最大巡航速度提高8.2%用JT3D涡扇换装JT3C涡喷授课人贾斯法37涡轮风扇发动机60年代初期研制成功后，很快被民航客机广泛采用飞机波音707、波音727、波音737、三叉戟、快帆，伊尔62、图154、DC-9发动机JT3D、JT8D、康维、斯贝、D-30。授课人贾斯法38涡轮风扇发动机循环参数总压比涡轮前燃气温度涵道比授课人贾斯法39涡轮风扇发动机－军用特征在高性能战斗机上的应用要求：迎风面积小，推重比大发展先进的核心机，采用小涵道比，再装上加力燃烧室。授课人贾斯法40加力式涡轮风扇发动机起飞推力大加力比(加力推力/不加力推力)大巡航耗油率低减少迎风面积适合战斗机授课人贾斯法41加力式涡轮风扇发动机扇发动机F-4“鬼怪”式战斗机用涡扇(斯贝MK202)换装涡喷(J79)后飞机性能的改进最大M数由2.2→2.4最大航程↑54%加速到M=2的时间↓1/3爬升到12000m的时间↓20%授课人贾斯法42加力式涡轮风扇发动机60年代后期采用高循环参数总压比≈25、T3≈1600K发展高性能核心机研制成专为先进战斗机用的、推重比为8.0一级8的发动机F100-PW-100→F-15(1974)授课人贾斯法43第3代战斗机的发动机F100-PW-229129.4kN推重比=8.0F110-GE-129129.1kN推重比=8.0AL-31F(АЛ-31Ф)122.6kN推重比=8.0授课人贾斯法44第4代战斗机的特点高的敏捷性好的隐身性短距起飞着陆能力超声速巡航能力授课人贾斯法45四代机对发动机的要求推重比大于10.0不开加力的最大推力即中间推力要大采用矢量喷管46X-35矢量喷口授课人贾斯法47F119矢量喷管授课人贾斯法48矢量喷口授课人贾斯法49苏－37的超机动飞行授课人贾斯法50苏－27的眼镜蛇机动飞行授课人贾斯法51苏－37的钟状机动飞行授课人贾斯法52F-22用发动机－F119-PW-100总压比35涵道比~0.2涡轮前燃气温度~1850~1950K3+6___1+1反向转动的双转子推力157.5kN推重比10.0授课人贾斯法53F119与F100比较级数17---11少6级零件数少40%中间推力大47%可使战斗机超声速巡航巡航耗油率低11%可靠性、维修性好授课人贾斯法54第3.5代战斗机EF2000Rafale“阵风”授课人贾斯法55第3.5代战斗机的发动机(1)EJ200推力＝88.3kN推重比=10.0授课人贾斯法56第3.5代战斗机的发动机(2)M88-2推力＝75kN推重比=8.5授课人贾斯法57联合攻击机－JSF授课人贾斯法58联合攻击机JSF一机三型一条生产线完成三型飞机生产一机三型CTOL型常规起降23t空军用STOVL短距起飞垂直降落型23t海军陆战队、英海军用CV即舰载型海军用较前二者重授课人贾斯法59联合攻击机JSF~2010年服役将与F-22成为美国主力战斗机投资约160亿美元计划生产3000架供英海军60架、英空军200架授课人贾斯法60联合攻击机JSFJSF洛克西德公司方案授课人贾斯法61JSF波音公司方案联合攻击机JSF授课人贾斯法62联合攻击机JSFF-352001年10月26日美空军宣布洛克希德.马丁的X-35方案为JSF的中标机型并命名为F-35授课人贾斯法63动力装置之一--洛克西德公司授课人贾斯法64联合攻击机JSF授课人贾斯法65动力装置之二---波音公司授课人贾斯法66大涵道比涡扇发动机67大涵道比涡扇发动机60年代美国军方提出战略远程大型运输机起飞总重约350吨、航程约12000公里要求发动机推力≈20000kgf耗油率比中小涵道涡扇发动机低1/3授课人贾斯法68高涵道比涡扇发动机采用大风扇(高涵道比)增加低压涡轮级数增加高压涡轮后的燃气能量高总压比、高涡轮前燃气温度采用先进技术授课人贾斯法高涵道比涡扇发动机采用三高指标高涵道比5.0-8.0高总压比25-30高涡轮前燃气温度1600-1650k推力18000-22000kg耗油率比小涡扇低1/3授课人贾斯法高涵道比涡扇发动机特点起飞推力大耗油率低噪声低授课人贾斯法71第一代宽体客机B7471970年L1011(1972)DC-10(1971)72高涵道比涡扇发动机已在现代民机上广泛采用A300、A310、A320、A330、A340,B737、B747、B757、B767、B777,A3XXB747-500X、B717、A318、湾流Ⅴ授课人贾斯法73波音777双发客机授课人贾斯法74波音777双发客机波音777大型双发客机1990年提出，1995年6月投入营运对发动机的要求特大的推力：飞机起飞总重大于280吨要求单台发动机推力大于370～450kN当时最大推力约为275kN特高的可靠性：双发客机航行任何航线即要求投入航线营运之初获得180分钟ETOPOS的批准授课人贾斯法2006年3月航空发动机结构设计75用于B777的三种发动机普惠PWGE90Trent40844098-75B-92B-884-8104推力kN338453351421402481涵道比6.55.98.48.45.95.4总压比36.042.039.342.038.845风扇直径m2.8443.1242.794耗油率0.5660.5720.5600.575取证时间94.498.394.1196.595.100.276两种巨型客机载客量(三级布置)多于500人航程14000～16000km起飞重量大于500吨机身长70～86mB747-500X、B747-600XA380-100、A380-200授课人贾斯法两种巨型客机对发动机的要求推力340kN级DOC比B747-400低10%～23%Trent900(～400kN)GP7267/7275/7167授课人贾斯法78俄罗斯的巨型客机--“俄罗斯之翼”KP-860载客860人航程12000～15000km起飞总重620～650吨翼展88m机身长80m授课人贾斯法79俄罗斯的巨型运输机安-225起飞重量600吨载重量250吨装有六台PS-90高涵道比涡轮风扇发动机授课人贾斯法80高涵道比涡扇发动机2001年11月19月GE-90推力达到535kN授课人贾斯法2006年3月航空发动机结构设计81航空发动机发展特点对产品的设计要求适用性、可靠性、维修性经济性、耐久性82航空发动机发展特点费用高、风险大多公司合作研制采用高的循环参数留有较大的温度裕度二种发展方式：全新设计改进衍生广泛采用先进技术采用并行或同期工程授课人贾斯法83航空发动机发展特点进行广泛、苛刻的试验元器件：叶栅吹风、材料性能、强度、振动…部件：性能调试、强度、振动….（缩尺、全尺寸，模拟、真实条件）整机：地面条件（性能、耐久性），高空台中模拟高空高速条件，飞行试验台,飞机…环境：吞水、吞烟、吞冰雹、吞鸟….授课人贾斯法84进行广泛、苛刻的试验吞水试验吞水量为空气流量的4%授课人贾斯法85进行广泛、苛刻的试验吞冰雹试验吞冰雹量每分钟大于1000公斤（GE90）授课人贾斯法86进行广泛、苛刻的试验吞鸟试验中鸟：4×1.5lb(4×2.5lb)B777授课人贾斯法2006年3月航空发动机结构设计87进行广泛、苛刻的试验吞鸟试验大鸟：4磅（对于B777则为8磅）88进行广泛、苛刻的试验风扇叶片甩出试验也称包容性试验是最危险、最费钱的试验授课人贾斯法89发动机研制程序1.三大部件(压气机、燃烧室、涡轮)2.核心机(高压)核心机+低压部件(风扇、低压涡轮、加力燃烧室)3.验证机(技术、型号)4.原型机调试(地面、高空台