飞机发动机分类和工作原理

航空发动机原理、构造与系统theTheory,StructureandSystemofAero-engine黄燕晓第2讲发动机分类和工作原理Objective:1.了解航空燃气涡轮发动机的作用及其要求2.掌握航空燃气涡轮发动机的基本类型（重点）3.掌握航空燃气涡轮发动机的工作原理（重点）本讲内容1.1航空发动机作用、要求1.1.1定义发动机是将燃料燃烧释放出的热能转变为机械能的装置。动力装置除了包括发动机本体及必需的工作系统（如燃油系统、滑油系统、起动点火系统）外，还包括有防冰系统、反推系统、冷却系统和外壳体等。1.1.2作用航空燃气涡轮发动机是现代飞机与直升机的主要动力（少数轻型、小型飞机和直升机采用航空活塞式发动机），为飞机提供推进力，为直升机提供转动旋翼的功率。推进力升力飞行器的动力装置，一般应当有发动机（燃料的化学能转变为热能再转变为机械能的热力机械）与推进器组成，在直接产生推力的涡轮发动机中，二者是合二为一的，提供转动旋翼功率的发动机则分开，推进器一般为螺旋桨或旋翼。1.1航空发动机作用、要求1.1航空发动机作用、要求飞机或直升机在飞行中，一旦发动机损坏而停车，飞机会由于失去推进力而丧失速度与高度，如果处理不当就会出现极为严重的事故。因此发动机的正常工作与否，直接影响到飞行的安全，故称发动机为飞机的心脏。而且发动机的性能好坏对飞行器的性能有较大的影响，对飞行器的发展起到关键的作用。1.1航空发动机作用、要求1.1.3要求发动机推力大、质量小发动机燃油消耗率低发动机结构尺寸要小可靠性要好，使用寿命要长环境污染要小（排气污染和噪音污染）不同用途的发动机，其要求的侧重点也不同：——战斗机发动机要求推力大、重量轻、加速性好；——对民航机，要求有低油耗、经济性好、高的可靠性与耐久性、高的使用率和飞行安全等基于此，各种类型的发动机被逐步推入市场：20世纪60年代，高涵道比（5—8）涡扇发动机，JT9D\RB211\CF620世纪70年代，小推力的大涵道比涡扇发动机，CFM56\PW2037\RB211-53520世纪80年代，大流量比、大推力涡扇发动机，PW4000\V25001.1航空发动机作用、要求两类发动机1.2航空发动机基本类型航空活塞式发动机早期飞机和直升机全部采用航空燃气涡轮发动机20世纪40年代开始使用，目前广泛采用航空活塞式发动机涡轮喷气发动机航空燃气涡轮发动机一般由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、排气装置和附件系统组成。燃气发生器：由压气机、燃烧室以及驱动压气机的燃气涡轮组成的装置是用来提供高温高压燃气的，它们也是发动机的核心部分，故也称之为核心机。从燃气涡轮出来的高温高压燃气具有一定的能量，故能产生发动机的推进力或输出功率，利用它的方式不同，可以产生不同类型的发动机1.2航空发动机类型燃气涡轮发动机涡轮喷气发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮风扇发动机涡轮轴发动机桨扇发动机20世纪80年代后期其中，涡喷、涡扇发动机的推力就是推进飞机前进的力，而涡浆发动机中，发动机输出轴功率，通过螺旋桨（一种推进器），将功率转变为飞机的拉力。螺旋桨旋转时，桨叶将空气向桨叶后方增速排出，此股向后流动的空气在桨叶上产生向前的反作用力，即螺旋桨的拉力。在直升机中，涡轴发动机输出的功率通过减速器减速并转向，驱动旋翼旋转，旋翼桨叶将空气加速向下向后排出，产生向上向前的力，然后直升机便可腾空飞翔。1.2航空发动机类型1.2航空发动机基本类型1.2.1燃气涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机1.2航空发动机基本类型结合下图：功能涡轮喷气发动机工作情形图1.2航空发动机基本类型涡喷发动机进气量大，进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程是同时进行的，即做功是连续的，做功能力比活塞式大得多，是20世纪50、60年代应用最为广泛的航空燃气涡轮发动机，当时不仅是高速歼击机的唯一动力，而且也为许多轰炸机、民航机所采用。工作原理:一定量的空气通过进气道以较小的流动损失顺利地引入压气机,在压气机中高速旋转的叶片对空气作功压缩空气提高空气的压力,高压空气在燃烧室内与燃油混合燃烧将化学能转变为热能形成高温高压的燃气,高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀,推动涡轮高速旋转输出功去带动压气机,然后,燃气在喷管内继续膨胀加速燃气使燃气以较高的速度喷出,产生推力.燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内继续膨胀,加速燃气,提高燃气的速度,使燃气以较高的速度喷出,产生推力。1.2航空发动机基本类型故航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器加力式燃气涡轮喷气发动机在涡轮和喷管之间具有加力燃烧室,用来提高喷管前的燃气温度,增大排气速度,从而加大发动机的推力。1.2航空发动机基本类型(a)双转子涡轮喷气发动机(b)双转子带加力燃烧室的发动机1.2航空发动机基本类型涡喷发动机主要特点：适用于高速飞行：没有受速度限制的螺旋桨作为推进器；带加力燃烧室的涡喷发动机突破音障，实现超音速飞行。耗油率较高：由于涡喷发动机的推力是由高速排出高温燃气所获得的，所以在得到推力的同时，有不少由燃料燃烧所获得的能量以燃气的动能和热能的形式排出发动机，能量损失较大，耗油率较高，不经济。1.2航空发动机基本类型1.2.2涡轮螺旋桨发动机涡桨发动机是在涡喷发动机的基础上，吸取航空活塞式发动机的优点发展而来的。20世纪50年代研制的民航机、运输机采用涡桨发动机较多，目前支线用的旅客机仍以涡桨发动机作为主要动力。从其燃气发生器出来的燃气能量，绝大部分在动力涡轮中膨胀做功，使动力涡轮高速旋转动，后通过减速器转速降到1000-2000转驱动螺旋桨，燃气中剩下的能量在尾喷管中膨胀，产生推力。涡桨发动机由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还安排了一个减速器减速器的功用是使螺旋桨在较低的转速下工作,同时使发动机在高转速下工作,双方都有较高的效率涡轮螺旋桨发动机的工作原理空气通过进气道、压气机、燃烧室后与燃油混合燃烧产生高温高压燃气在涡轮膨胀，带动压气机和螺旋桨，大量的空气流过旋转的螺旋桨，使螺旋桨产生相当大的拉力；气体流过发动机时产生反作用推力1.2航空发动机基本类型1.2航空发动机基本类型涡桨发动机主要特点：适用于低、中速飞行由于涡桨发动机以直径较大的螺旋桨作为推进器，飞行速度受到限制，在低亚音速飞行时竞技性好，M=0.5～0.7。耗油率低燃气中的大部分能量（85%～90%）在动力涡轮中膨胀作功，剩下很少能量（10%～15%）在尾喷管中膨胀，产生推力，所以，排气能量损失小，推进效率高，所以耗油率低。1.2.3涡轮风扇发动机涡扇发动机是推进喷管排出燃气和风扇加速空气共同产生推力的发动机。涡扇发动机中，核心机排出的能量一部分通过动力涡轮时转变为轴功率驱动风扇，加速空气流动产生推力，余下热能在推进喷管中用于加速排出燃气而产生推力。涡扇发动机空气进入气道后分两股气流流动，即内外涵道。1.2航空发动机基本类型1.2.3涡轮风扇发动机主要组成涡扇发动机组成：进气道,风扇,低压压气机,高压压气机,燃烧室,高压涡轮,低压涡轮和喷管工作原理：内涵：涡扇发动机内路的工作情形与涡喷发动机相同。即流入内涵的空气通过高速旋转的风扇、低压压气机和高压压气机对空气作功,压缩空气,提高空气的压力。高压空气在燃烧室内和燃油混合,燃烧,将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气。高温高压的燃气首先在高压涡轮内膨胀,推动高压涡轮旋转,去带动高压压气机,然后在低压涡轮内膨胀,推动低压涡轮旋转,去带动低压压气机和风扇,最后燃气通过喷管排入大气产生反作用推力。外涵：流过外涵的空气通过高速旋转的风扇叶片对空气作功,压缩空气,提高空气的压力和温度,接着空气在通道内膨胀加速,排入大气,也产生反作用推力。1.2航空发动机基本类型1.2航空发动机基本类型涵道比：外涵流量与内涵流量的比值,称为涵道比,即目前民用航空涡扇发动机的涵道比在1∽5.例如:CFM56-3B1发动机为:5.00;V2500-A5发动机为:4.60;PW2037发动机为:6.00;PW4000发动机为:5.00.涵道比大于3的涡扇发动机称为高涵道比的涡扇发动机.目前民用航空干线飞机都装配涡扇发动机.这是因为在高亚音速时,涡扇发动机的推进效率高.ImIImqqB,,1.2航空发动机基本类型涡扇发动机是目前应用最为广泛的一种。较大型民航机几乎都采用涡扇发动机作为动力，主要特点:耗油率低、起飞推力大、噪音低适用于较高的飞行速度，且在很广的飞行速度范围内，都能满足推力和经济性的要求。高涵道比发动机迎风面积大、喷气速度小，不宜用于超音速。1.2航空发动机基本类型1.2.4涡轮轴发动机涡轴发动机1.2航空发动机基本类型涡轮轴发动机特点：涡轴发动机是用于直升机上的，基本同于涡桨发动机，主要区别：一是燃气发生器排出的燃气能量，几乎全部在涡轮中膨胀作功，尾喷管排气速度较低，几乎不产生推力；二是输出轴转速较高。涡轴发动机也可以作为非航空领域中的动力，如地面发电机、油泵、水泵等的动力，舰船用的动力等。1.2航空发动机基本类型1.2.5螺桨风扇发动机桨扇发动机是20世纪80年代开始发展的一种新型节能发动机，也称之为无涵道风扇发动机（UDF）或超高流量比(UHB)涡扇发动机。它兼有涡扇与涡桨发动机两者的优点，即比涡扇发动机省油，经济性接近涡桨发动机的水平，又可以接近涡扇发动机的飞行马赫数巡航。桨扇发动机的特点：经济性：普惠公司的JT3C到PW4000，耗油率降低40%，到更先进的桨扇发动机，耗油率又降低40%。GE公司1986年是车的无涵道风扇发动机，油耗率比公司的CFM56-5低25%振动和噪音较大：螺桨发动机转速比较高引起。1.2航空发动机基本类型1.2航空发动机基本类型类型优点不足涡喷发动机高速飞行、大推力、重量轻耗油率高涡桨发动机耗油率低受螺旋桨限制，功率不大涡扇发动机喷气速度大、噪声低、耗油率低、大推力迎风面积大、喷气速度小，不宜超音速涡轴发动机应用于直升机、耗油率低多用于非航空领域的动力少用于民航飞机桨扇发动机经济性好、耗油率低振动和噪音比较大成本较高已经停止研发各种类型发动机比较1.3喷气发动机工作原理组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管。进气道：将足够的空气量,以最小的流动损失顺利地引入压气机。压气机：通过高速旋转的叶片对空气作功,压缩空气,提高空气的压力。燃烧室：高压空气和燃油混合,燃烧,将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气。涡轮：高温高压的燃气在涡轮内膨胀,向外输出功,去带动压气机。喷管：使燃气继续膨胀,加速,提高燃气的速度。燃气发生器(又称核心机）压气机,燃烧室,涡轮.核心机作用它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；对燃气发生器所获得的机械能进行不同的分配，就形成不同型式的发动机；涡桨发动机的螺旋桨，涡扇发动机的风扇，涡轴发动机的悬翼的驱动力都来自燃气发生器。1.3喷气发动机工作原理1.3喷气发动机工作原理单转子涡喷发动机的站位０站位:发动机的远前方,那里的气流参数为１站位:进气道的出口,压气机的进口,气流参数为2站位:压气机的出口,燃烧室的进口,气流参数为３站位:燃烧室的出口,涡轮的进口,气流参数为４站位:涡轮的出口,喷管的进口,气流参数为５站位:喷管的出口,气流参数为*0*000,,,,TpVTp*1*1111,,,,TpVTp*2*2222,,,,TpVTp*3*3333,,,,TpVTp*4*4444,,,,TpVTp*5*5555,,,,TpVTp双转子发动机的站位特别强调其中的2站位和7站位,2站位处的总压,7站位处的总压,美国和英国发动机制造公司常用符号pt2和pt7来表示,7站位处的总压pt7对发动机的推力是一个十分重要的参数.1.3喷气发动机工作原理1.3喷气发动机工作原理双转子发动机的站位1.3喷气发动机工作原理几个重要的参数涡轮前燃气总温最重要,最关健的一个参数,也是受限制的一个参数涡轮前燃气总温的高低表示了发动机性能的高低在使用过程中它不