航空发动机发展综述

航空发动机发展综述上海交通大学陈勇2016-7ShanghaiJiaoTongUniversity提纲航空发动机的发展历史活塞式喷气式（涡轴、涡喷、涡桨、涡扇……）航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军、民用涡扇发动机ShanghaiJiaoTongUniversity航空发动机发展历史航空发动机百年历史可分为两个时期：第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止活塞式发动机统治了40年左右第二个时期从第二次世界大战结束至今60年来，航空燃气轮机取代了活塞式发动机航空燃气轮机开创了喷气时代，居航空动力的主导地位ShanghaiJiaoTongUniversity活塞式发动机时期早期飞机动力源问题的解决过程飞机动力源问题未解决导致屡次飞行失败使用蒸气机作为动力源，质量过重1810年，英国科学家凯利发现了飞行原理1876年，德国工程师奥托试制成热效率高于蒸汽机的四冲程煤气内燃机人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源ShanghaiJiaoTongUniversity活塞式发动机ShanghaiJiaoTongUniversity螺旋桨型式ShanghaiJiaoTongUniversity活塞式发动机时期活塞式发动机的发展飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展早期液冷式、气冷发动机两次世界大战推动发动机的性能提高：单机功率从不到10kW增加到2500kW左右螺旋桨飞机的V从16km/h提高到近800km/h飞行高度达到15000m到40年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰ShanghaiJiaoTongUniversity活塞式发动机的优点经济性较好：不但耗油率低，而且单位功率的售价低；燃烧较完全，所以对环境的污染相对较小；噪音较小。目前，活塞式航空发动机仍广泛地应用于小型低速飞机。ShanghaiJiaoTongUniversity活塞式发动机固有的缺陷功率与重量的矛盾发动机功率与飞行速度的三次方成正比发动机功率的增加，将导致发动机重量迅速增大（接近三次方关系）螺旋桨的局限接近音速时，导致螺旋桨工作不稳定，推进效率急剧下降“音障”的出现ShanghaiJiaoTongUniversity喷气推进原理原理牛顿第三定律--作用力等于反作用力喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出。在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。ShanghaiJiaoTongUniversity航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机有四种基本类型涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺桨发动机涡轮轴发动机地面燃气轮机（船、舰用燃气轮机）这些发动机中都有压气机、燃烧室和燃气涡轮，因此统称燃气涡轮发动机。ShanghaiJiaoTongUniversity航空发动机的工作原理航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种；从产生、输出能量的原理上讲，燃气涡轮发动机和活塞发动机是相同的。都需要有进气、压缩、燃烧和排气这四个阶段。核心机压气机燃烧室燃气涡轮ShanghaiJiaoTongUniversity分类依据在航空燃气涡轮发动机中，进入发动机的空气经压气机压缩后，流入燃烧室与喷入的燃油混合后燃烧，形成高温高压的燃气，在进入燃气涡轮中膨胀做功，使涡轮高速旋转并输出功率。由燃气涡轮出来的燃气，仍具有一定的能量，正是这股具有能量的燃气，才产生了发动机的推力或输出功率。利用这股燃气能量的方式不同，就相应地产生了不同类型的燃气涡轮发动机。ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮喷气发动机结构进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管加力燃烧室（涡轮和尾喷管之间）ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮喷气发动机-(WP)ShanghaiJiaoTongUniversity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。ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮喷气发动机-(WP)用于歼六强五涡喷六（WP-6）发动机ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮喷气发动机-(WP)ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮喷气发动机-(WP)ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮风扇发动机-(WS)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)ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮风扇发动机-(WS)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ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮风扇发动机-(WS)ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮风扇发动机的涵道比ShanghaiJiaoTongUniversityCFM56ShanghaiJiaoTongUniversityF-404发动机ShanghaiJiaoTongUniversityEJ200用于欧洲战斗机EF-2000的EJ200涡轮风扇发动机由图中可以看出，加力燃烧室的长度比风扇、高压压气机、燃烧室、高/低压涡轮几个部件加起来还要长一些ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮螺旋桨发动机（WJ）安－70超大型运输机ShanghaiJiaoTongUniversity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。ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮螺旋桨发动机（WJ）涡轮螺桨发动机结构简图ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）BoeingAH-64DApacheLongbowSikorskyUH-60LBlackHawk带有两级减速器；用于直升飞机上ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）慕尼黑涡轮联合公司/透博梅卡/罗罗MTR390ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）T-700涡轴发动机ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）ShanghaiJiaoTongUniversity用于NH90直升机涡轮轴发动机（WZ）ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮轴发动机（WZ）ShanghaiJiaoTongUniversity地面用燃气轮机油田灭火机ShanghaiJiaoTongUniversity地面用燃气轮机野外发电机ShanghaiJiaoTongUniversity喷气发动机与活塞式发动机对比1)活塞式发动机只是热机，本身不能产生推力，只能从轴上输出功率带动螺旋桨，由螺旋桨产生推力，所以螺旋桨称为推进器。涡轮喷气发动机既是热机又是推进器；2)在一定的飞行速度范围内，随着飞行速度的增加，涡轮喷气发动机产生的推力增加，因为进入发动机的空气质量流量随着飞行速度的增加而增加，因此涡轮喷气发动机适于高速飞行；3)活塞式发动机工作时，只有一个行程对外作功；而燃气轮机工作时，空气是连续不断地被吸入，作功是连续进行的，因而涡轮喷气发动机有更大地功率输出；4)活塞式发动机是往复机械，惯性力大，故转速不能太大；涡轮喷气发动机是旋转机械，转速可以较高；5)活塞式发动机的燃烧过程在封闭的空间中进行，燃烧过程中气体的压力和温度急剧地上升，必须采用笨重的汽缸；涡喷发动机地燃烧过程在开口的空间进行，燃烧过程基本上是等压的，燃烧室结构轻巧；6)与活塞式发动机相比，涡喷发动机最大的缺点是经济性差。ShanghaiJiaoTongUniversity燃气发生器（核心机）燃气发生器由压气机、燃烧室和燃气涡轮（简称涡轮）所组成。燃气发生器用于提供高压、高温的燃气。燃气发生器又称发动机的核心机。ShanghaiJiaoTongUniversity压气机压气机的功用依靠其高速旋转的工作叶轮对空气作功，提高空气的压力和温度，供给发动机工作时所需要的压缩空气。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带有轴流压气机的涡轮喷气发动机带有离心式流压气机的涡轮喷气发动机ShanghaiJiaoTongUniversity离心式压气机工作叶轮ShanghaiJiaoTongUniversity轴流压气机轴流压气机的转子和静子压气机工作叶片ShanghaiJiaoTongUniversity4.涡轮喷气发动机—燃烧室作用、特点、构造ShanghaiJiaoTongUniversity燃烧室主要包括：喷嘴、涡流器、火焰筒等ShanghaiJiaoTongUniversity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ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮燃气涡轮在高温高压燃气的作用下高速旋转，将燃气中的部分热能和压力能转换成机械功，带动压气机和附件工作。航空燃气涡轮功率大，效率高，转速快，燃气温度高，所以工作条件十分恶劣。ShanghaiJiaoTongUniversity48涡轮燃气在涡轮叶片中流动ShanghaiJiaoTongUniversity涡轮叶片涡轮叶片散热ShanghaiJiaoTongUniversity4.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ShanghaiJiaoTongUniversity尾喷管典型的扩散-收敛型喷管SU-27尾喷管尾喷管内部：后燃器的火焰环ShanghaiJiaoTongUniversity国产涡喷-7发动机及剖视图ShanghaiJiaoTongUniversity加力燃烧室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。ShanghaiJiaoTongUniversity进气道作用、结构、工作特点防止外物打伤；防冰ShanghaiJiaoTongUniversity辅助系统起动系统燃油系统润滑系统防冰系统防火系统ShanghaiJiaoTongUniversity提纲航空发动机的发展历史活塞式喷气式航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军、民用涡扇发动机ShanghaiJiaoTongUniversity航空发动机推力的产生原理TheearliestknownexampleofjetreactionisthatofHero’sengine(fig.1-4)producedasatoyin120B.C.ShanghaiJiaoTongUniversity发动机的推力气流在发动机进、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。ShanghaiJiaoTongUniversity提纲航空发动机的发展历史活塞式喷气式航空发动机的主要结构航空发动机推力的产生原理影响推力的因素航空发动机性能指标典型军、民用涡扇发动机ShanghaiJiaoTongUniversity发动机的推力发动机的推力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涡扇发动机推力=内涵推力+外涵推力涡喷发动机推力ShanghaiJiaoTongUniversity航空发动机性能指标推力推重比/功重比发动机在海平面静止条件下最大推力与发动机重力之比。（无量纲）耗油率发动机每小时的燃油质量流