2.4飞机的动力装置

第二章民用航空器第四节飞机的动力装置航空发动机被誉为“工业之花”动力装置是飞机的核心部分，是飞机的心脏。动力装置是指为飞机飞行提供动力的整个系统，包括发动机、辅助动力装置及其他附件，其中最主要的是发动机。发动机的功用：给飞机提供推力驱动附件：油泵、发电机等提供气源：供给空调和增压等自从飞机问世以来的几十年中，发动机得到了迅速的发展:早期的低速飞机上使用的活塞式发动机可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机发动机的发展历史发动机的分类一、活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。航空活塞发动机基本组成活塞式发动机原理活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。进气过程中，活塞下移，进气门打开，油气混合气吸入汽缸；接着活塞上移，进气门关闭，压缩气体；在压缩行程末期，电咀跳电火花点火，混合气很快燃烧，开始膨胀行程，推动活塞向下移动，从而通过连杆带动曲轴旋转，输出功率。最后，在排气行程中，活塞上移，排气门打开，废气排出外界。工作原理活塞式发动机-工作原理航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合，在密闭的容器（气缸）内燃烧，膨胀作功的机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力。所以，作为飞机的动力装置时，发动机与螺旋桨是不能分割的。常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气缸不等。在单缸容积相同的情况下，气缸数目越多发动机功率越大。气缸安排形式螺旋桨活塞式发动机不能单独驱动飞机，它必须驱动螺旋桨使其相对空气运动产生拉力从而使飞机运动。螺旋桨由叶片组成，叶片的横断面相当于机翼的翼型，它相对于空气运动时，把空气向后排开，空气的反作用力给它一个向前的拉力，从而推动飞机运动。螺旋桨变距变距目的：根据需要改变桨叶角Φ,以保持或改变螺旋桨转速，保证较高得螺旋桨效率,防止飞行中产生负拉力。螺旋桨变距包括自动变距和操纵变距杆人工变距。螺旋桨顺桨、回桨和反桨顺桨:当双发（或多发）飞机一发失效后，为减小螺旋桨的飞行阻力，使桨叶角增加到90度左右。回桨：顺桨反过程，一般在发动机重新启动时用。反桨：使桨叶角减小到出现负桨叶迎角，产生负拉力，缩短着陆滑跑距离。螺旋桨特点叶尖速度最高接近音速，产生激波，阻力大增螺旋桨飞机的最高速度800公里/小时以下200到700公里/小时范围内螺旋桨推进效率很高产生推力的效率比喷气飞机大特点：耗油低，经济性好结构简单，维护简单，可靠性好适于低速小型飞机用途：小型飞机和轻型直升机二、空气喷气式发动机1.喷气发动机的原理喷气发动机的推力依靠内部气体的排出与外部介质基本无关螺旋桨的推力外部介质（空气）产生推力螺旋桨推进和喷气推进2.喷气发动机的类型（1）涡轮喷气发动机（1）与活塞发动机相比结构简单，重量轻，推力大，（2）推进效率高，主要适用于超音速飞行（3）耗油率大，噪声大涡喷发动机剖视示意图（2）涡轮螺旋桨发动机螺旋桨减速器（2）涡桨发动机特点（1）涡轮输出的功率大于压气机所消耗的功率,大出的部分传给螺旋桨（2）在一定亚音速范围内，具有较好的经济性，发动机工作效率比涡轮喷气发动机高的多（4）与涡喷不同之处是涡轮带动螺旋桨（5）涡桨是对大量的空气施加相对小的加速产生拉力；涡喷是对较小量的空气施加相对大的加速产生推力。涡轮螺旋桨发动机产生的全部动力螺旋桨拉力为主，90%喷气产生推力只占10%飞行速度800公里/小时以下（2）涡轮螺旋桨发动机优点：使用航空煤油功率远比活塞式大(载客量大）用途：中速客机和支线客机（3）涡轮风扇发动机涡扇发动机组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点。主要机件CFM56-7发动机（3）涡轮风扇发动机当空气流经涡轮风扇发动机的前端风扇后，分为两个部分：一路是内涵气流，空气继续经压气机压缩，在燃烧室和燃油混合燃烧，燃气经涡轮和喷管膨胀，燃气以高速从尾喷口排出，产生推力；另一路是外涵气流，流经风扇后的空气直接通过管道排到机外（短外涵）或者一直流到尾喷口同内涵气流混合或分别排出（长外涵）外涵道与内涵道的流量之比，叫做涵道比，也叫流量比。ma大：涵道比越大，流量越大起飞、复飞推力大效率高，适合高亚音速（M=0.8-0.9）飞行喷气噪音低，风扇噪音大推力由内涵和外涵共同产生，风扇是产生正推力的主要部件。目前,民航运输机广泛采用高涵道比的涡扇发动机，保证足够的推力和良好的经济性。涡扇式发动机特点（4）涡轮轴发动机涡轮轴发动机包括：燃气发生器和自由涡轮。自由涡轮和燃气发生器涡轮只有气动联系，即流过燃气发生器涡轮的燃气再驱动自由涡轮，自由涡轮输出轴功率。现代飞机上的辅助动力装置（APU）也是一台小型燃气涡轮发动机，结构简单，功能单一。（4）涡轮轴发动机3.喷气发动机的组成发动机各个部件功用如下：进气道：恢复尽可能多的自由气流的总压，以最小的紊流输送空气到压气机并保持飞机阻力最小。压气机：通过旋转的叶片对空气做功，压缩空气提高空气的压力。燃烧室：空气和燃油混合、燃烧，将燃料化学能转变成热能，生成高温燃气。涡轮：燃气在涡轮内膨胀做功，涡轮功驱动压气机和附件。喷管：燃气通过喷管继续膨胀，将燃气以一定的速度和要求的方向排入大气，提供推力。压气机、燃烧室、涡轮称为：燃气发生器。燃气发生器是各种发动机的核心。3.喷气发动机的组成（1）进气道在各种状态下,将足够量的空气,以最小的流动损失,顺利地引入压气机,并在压气机进口形成均匀的流场以避免压气机叶片的振动和压气机失速.（2）压气机功能：对气体进行压缩,提高空气的压力,为燃气膨胀作功创造条件。次要功能：供应高压引气，冷却热部件；热空气用于防冰；引气用于机舱增压、空调、燃油系统。工作原理（1）转子由涡轮带动高速旋转，空气被连续不断地吸入压气机；（2）旋转的转子的叶片使空气加速，增加能量使压力升高；（3）在随后的静子通道中减速（扩压）并将动能转换成压力。（2）压气机离心式压气机轴流式压气机定义当发动机工作状态严重偏离了设计值，气流在叶片通道内发生严重的气流分离，引起气流在压气机中忽断忽续的、轴向的、周期性的，低频高幅的振荡现象。危害轻微的喘振对飞行安全不会有影响，但会影响发动机寿命。严重的喘振会使性能恶化、振坏、烧坏机件，引起发动机熄火、停车，甚至直接使发动机报废，危及飞行安全。压气机喘振（3）燃烧室将喷嘴供应的燃油和压气机供应的空气混合燃烧释放热量，供给涡轮所需的均匀加热的平稳高温高压燃气流。燃烧室的类型：多个单管燃烧室环管形燃烧室环形燃烧室环管形燃烧室环形燃烧室（4）涡轮高温高压燃气膨胀，将热能转换成涡轮的机械能，同时驱动压气机和附件提供功率。在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机它还为螺旋桨和旋翼提供轴功率。（5）尾喷管主要功用：使从涡轮流出的燃气膨胀，加速，以一定的速度和要求的方向排入大气，得到需要的推力。也可通过反推力装置改变喷气方向，产生反推力，缩短飞机的滑跑距离。反推反推4.涡轮喷气发动机-优点和不足优点：喷气发动机重量轻、推力大，适用于高速飞行不足：耗油大（喷出气体的速度和温度）经济性差波音747-400飞机和协和式飞机四、发动机性能参数1.发动机压力比发动机压力比是指低压涡轮的出口总压与低压压气机进口总压之比，同气流通过发动机的加速成比例，对于轴流式压气机的涡扇发动机它表征推力，用EPR表示2.发动机涵道比发动机涵道比：涡扇发动机通过外涵的空气质量流量与通过内涵的空气质量流量之比。涵道比为：1左右是低涵道比；2-3左右是中涵道比；4以上是高涵道比。四、发动机性能参数3.排气温度排气温度：涡轮进口总温是发动机最重要、最关键的一个参数，也是涡轮发动机的重要限制参数，用EGT表示。4.风扇转速高涵道比涡扇发动机，常用风扇转速n1表征推力。四、发动机性能参数推进效率：发动机产生的动能有多少用于推动飞机。五、发动机的安装位置a安装在机翼上b吊装在机翼下（翼吊布局）c安装在机身尾部（尾吊布局）机身吊装大翼吊装翼下和机尾安装六、辅助动力装置机载辅助动力装置（APU）用于各类运输机上，是建立在一台小型涡轮发动机上的，装在飞机机身尾部。基于它的能力限制一般在地面工作时，可以提供电源和气源，用于启动主发动机及飞机空调用气，以使飞机减少对地面设备的依赖。在空中一定高度以后，可以提供电源、气源。如果飞行高度继续增加，到一定高度后，它仅能提供电源。七、附件系统燃油系统作用：给发动机提供适量的清洁燃油，并雾化燃油，便于与空气混合。滑油系统作用：润滑机件，减小摩擦，降低磨损；散热和冷却；防止机件腐蚀等。散热系统作用：使发动机工作的温度保持在一个适当的范围。点火系统功用：在发动机起动和正常工作时，使电嘴适时地产生电火花，可靠地点燃混合气。起动系统功用：利用外部动力，使发动机由静止状态进入慢车工作状态。