航空航天概论-航空器推进装置

第六章航空器推进装置信号与信息处理马爽主要内容6.1航空发动机概述6.2推进装置分类6.3活塞式发动机6.4燃气涡轮发动机6.5冲压/脉动发动机6.6火箭发动机6.1航空发动机发概述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（1903年）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航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机航空燃气涡轮发动机开创了喷气时代，居航空动力的主导地位第一时期第二时期喷气发动机的诞生：喷气式发动机是一种直接反作用推进装置。明代（1368-1644年）時出現的多火药筒并联火箭宋代的走马灯燃气涡轮发动机时期涡轮喷气发动机的诞生：1913年，法国工程师雷恩·罗兰获得第一个喷气发动机专利，属于无压气机式空气喷气发动机。1937年，英国的惠特尔和德国的奥海因分别研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和He－S3B燃气涡轮发动机的发展：涡轮喷气发动机到战后是20世纪50年代获得迅速的发展涡扇发动机诞生于20世纪50年代。60年代出现涡扇化热潮，70~80年代发展提高、广泛应用90年代以后高度发展，取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。6.2推进装置的分类推进装置的分类分类原则有两种：按空气是否参加发动机工作和发动机产生推进动力的原理按是否需要空气分类活塞式发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机吸气式发动机燃气涡轮发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机螺旋桨风扇发动机冲压喷气式发动机脉动喷气式发动机飞行器的发动机化学火箭发动机液体火箭发动机固体火箭发动机电火箭发动机火箭喷气式发动机核火箭发动机6.2推进装置的分类按产生推力的原理分类化学能火箭发动机火箭发动机特种火箭发动机组合发动机直接反作用推进系统冲压发动机（喷气发动机）涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机飞行器推进系统活塞式航空发动机涡轮螺旋桨发动机间接反作用推进系统涡轮轴发动机航空电动机6.3活塞式发动机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：到20世纪40年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰——活塞式发动机活塞式发动机利用汽油与空气混合，在密闭的容器（气缸）内燃烧、膨胀做功的机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推力。主要成分：气缸：混合气进行燃烧。活塞：做往复运动。连杆：带动曲轴。曲轴：旋转。气门机构螺旋桨减速器机匣等——活塞式发动机发动机的工作原理：（四冲程）1.进气冲程2.压缩冲程3.膨胀冲程4.排气冲程进气门开进排气门关点火花塞点燃排气门开排气门关气体压力产生有效功废气排除混合气体进入温度提高——活塞式发动机气缸在发动机壳体上的排列方式：——活塞式发动机性能指标：标志活塞式发动机性能好坏.有效功率：发动机用于驱动螺旋桨的功率。耗油率：产生1KW功率1h所耗的燃油质量。加速性：发动机从最小速度加速到最大速度的时间。——活塞式发动机安装活塞发动机的飞机拉-9飞机是前苏联拉沃契金设计局1944年设计的活塞式战斗机——活塞式发动机安装活塞发动机的飞机比奇男爵G58是双发活塞式飞机，其生产始于1961年。——活塞式发动机活塞式发动机的应用：早期在飞机或直升机上应用于带动螺旋桨或旋翼。大型活塞式发动机为燃气涡轮发动机所取代。但小功率的活塞式发动机仍广泛地用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机。6.4燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机核心部件是燃气发生器，它的组成：压气机燃烧室燃气涡轮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的高温高压燃气进入燃气涡轮中；燃气涡轮在高温高压燃气的作下高速旋转，带动压气机和附件工作。经过涡轮的气流仍然具有较高的压力和温度，通过尾喷管以高速排出发动机，产生反作用推力。6.4燃气涡轮发动机根据燃气涡轮后面有无“动力涡轮”以及“动力涡轮”所驱动的部件不同分为：涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机【动力涡轮】：位于燃气发生器后面的一个转动其他部件的涡轮。6.4.1涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机特点:完全依赖燃气流产生推力。涡轮喷气发动机：压气机燃烧室燃气涡轮尾喷管发动机工作时，空气连续不断地被吸入压气机，并在其中压缩增压后，进入燃烧室中喷油燃烧成为高温高压燃气，燃气在涡轮内膨胀，驱动涡轮旋转。经过涡轮的气流仍然具有较高的压力和温度，通过尾喷管以高速排出发动机，产生反作用推力。——离心式压气机工作叶轮——轴流压气机轴流压气机的转子和静子压气机工作叶片6.4.1涡轮喷气发动机现代战斗机有时需要短时间增加推力，在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油，让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合，再次燃烧。1.进气道2.压气机3.燃烧室4.涡轮5.尾喷管6.加力燃烧室——涡轮喷气发动机涡喷5系列发动机，我国根据前苏联苏联BK-1φ发动机的技术资料仿制的第一种涡喷发动机。第一代喷气发动机。国产歼-5歼击机涡喷6发动机，根据前苏联提供的PII-9B型发动机技术材料制作的一种加力式涡喷发动机。歼-6——涡轮喷气发动机涡喷7昆仑发动机（涡喷14）6.4.2涡轮风扇发动机在1963年开始启动涡扇发动机的研制工作1963年，涡扇五项目启动1964年，涡扇六相继启动1972年，中国开始和英国罗罗公司接触，谈判希望引进生产斯贝MK-511型民用涡扇发动机。1973年，涡扇五发展滞后，质量下降，涡扇五项目被迫下马。1974年英方处于抑制苏联的动机，英国罗罗公司主动提出可以提供斯贝MK-202型军用涡扇发动机的生产许可证，中方惊喜的马上同意。1975年12月13日，中英双方正式签订斯贝MK-202型军用涡扇发动机引进合同。合同规定中国可以按照许可证在中国国内生产组装此型发动机。1980年，中国装配生产的两台斯贝MK-202发动机通过各项主要性能的试车考验，宣告成功。1980年10月，涡扇六性能达到设计指标。1983年，涡扇六项目发展严重滞后，配套的多型战机与运输机项目再次因等不及而决定放弃采用涡扇六发动机。6.4.2涡轮风扇发动机1986年，涡扇十项目（WS-10）启动，项目被命名为“太行”项目。1995年，国产化率达到了70%的斯贝MK-202发动机完成150小时试车。被编号为涡扇九（WS-9）发动机。1995年，中央军委做出决定，涡扇十项目原版的“太行”发动机不仅要能装上歼11，而且还要装在当时正在开发的歼十战斗机上。这就意味着，这次如果涡扇十再不成功，中国两种主战机型都将无国产发动机可用。1999年，全面国产化斯贝MK-202发动机的项目正式启动，项目被命名为“秦岭”发动机项目。2001年10月27日，第一台所有零件全部国产化的斯贝MK-202军用涡扇发动机国产化成功，命名为“秦岭”发动机。2002年6月1日，第一台“秦岭”发动机被装配在国产“飞豹”双发战机上，首飞成功。2005，涡扇十（WS-10）项目经过全面改进的的第一台“太行”发动机通过各项测试，获得了军方可以装上飞机的许可。2009年，第一台“太行”发动机装配在歼十上首飞成功。秦岭发动机飞豹战斗机太行发动机歼—10战斗机——涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机（涡扇发动机），具有动力涡轮。组成成分：风扇低压压气机(髙涵比涡扇特有)高压压气机燃烧室驱动压气机的高压涡轮驱动风扇的低压涡轮排气系统组成。原理：流入涡轮风扇发动机的空气通过风扇压缩后，一部分经燃气发生器中流过，称为内涵气流；另一部分经围绕燃气发生器外壳的外环中流过，称为外涵气流。涡轮风扇发动机内涵道的工作原理和涡轮喷气发动机相同；外涵道的风扇由动力涡轮带动旋转，它使空气受压缩后直接加速喷出，从而产生反作用力。——涡轮风扇发动机优缺点：涡扇发动机有点：推力大、推进效率高、噪音低、燃气消耗率低、飞机航程远。缺点：风扇直径大，迎风面积大，因而阻力大，发动机结构复杂，设计难度大。涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用，因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。——涡轮风扇发动机的涵道比——发动机的参数秦岭发动机的参数最大加力推力(daN)9800中间推力(daN)6370加力耗油率(kg/daN/h)2.02耗油率(kg/daN/h)0.67推重比6.55空气流量(kg/s)96.9涵道比0.62总增压比21.5涡轮进口温度(K)1550WS-10A的参数最大加力推力(daN)13539中间推力(daN)8637加力耗油率(kg/daN/h)2.03耗油率(kg/daN/h)0.695推重比8.1空气流量(kg/s)120涵道比0.57总增压比25.15涡轮进口温度(K)1423国产最新型大涵道比涡扇发动机“长江1000A”。是我国第一款商用航空发动机产品,是装配国产大飞机的惟一国产动力。FC-1枭龙战斗机是中国研制的一种全天候、单发、单座、轻型超音速战斗机，具有完全自主知识产权的多用途轻型战斗机。是中巴双方共同投资、中国航空工业第一集团公司所属的成都飞机工业（集团）有限责任公司、成都飞机设计研究所、中国航空技术进出口公司等单位研制。2002年5月31日完成设计，2003年8月25日首次试飞.——涡喷发动机与涡扇发动机的对比涡喷发动机：特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力。适合高空高速战斗机，由于油耗比涡轮风扇发动机大并且改进余地不大基本被涡扇取代了。我军现役的还有强5、歼7、歼8、山鹰等机型。涡扇发动机：由喷气管排除燃气和风扇排除空气共同产生反作用力。与涡轮喷气比油耗低推进力大。早期涡扇发动机体积较大，随着科技的进步涡扇发动机体积得以改善，基本取代了涡喷发动机。国产的如歼10、飞豹、L15、歼11到最新的歼20，31都是涡扇发动机。6.4.3涡轮螺旋桨发动机以螺旋桨旋转时所产生的力来作为飞机前进的推进力。涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）有动力涡轮，燃气能量绝大部分在动力涡轮中膨胀做功，动力涡轮通过减速装置低转速后再驱动螺旋桨旋转产生推（拉）力，燃气中剩下的很少部分能量在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力。其与活塞式螺桨机主要的差异点：1.驱动螺旋桨中心轴的动力来源不同；2.涡桨发动机的螺旋桨通常是以恒定的速率运转，活塞动力的螺旋桨则会依照发动机的转速不同而有转速高低的变化。图片中国新一代涡桨飞机“新舟600”研制6.4.4涡轮轴发动机在工作和构造上，涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。是由涡轮风扇发动机的原理演变而来，将风扇变成了直升机的旋翼。涡轮轴发动机是用于直升机的，它与旋翼配合，构成了直升机的动力装置。通过旋翼的空气流量是通过涡轮轴发动机的空气流量的500-1000倍。结构图涡轴发动机的主要机件：进气装置、压气机、燃烧室、涡轮排气装置等五大机件。——涡轮轴发动机工作原理：和结构基本与涡轮螺旋桨发动机相同。不同的是，涡轴发动机的燃气发生器排除燃气能量几乎全部在自由涡轮中膨胀，由喷气管排出的燃气速度很低，几乎不产生推力；另外，涡轴发动机的输出轴转速较高，有的涡轴发动机由自由涡轮直接输出功率，有的则经过减速器后再输出功率。用于NH90直升机——RTM322型涡轮轴发动机——涡轮轴发动机驱动的直升机——燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机：涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800千米的飞机；涡轮轴发动机主要用于直升机的动力；涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机；涡轮喷气发动机主要用于超声速飞机。（音速声音的在15℃的空气中的速度是340米每秒，大约是1224千米每小时）6.5冲压/脉动发动机冲压式空气喷气发动机（冲压发动机）和脉动式空气喷气发动机（脉动发动机）合称无压气机式空气喷气发动机。这两种发动机中都没有压气机和带动压气机工作的涡轮。主要部件仅有：进气道、燃烧室，尾喷管。6.5.1冲压发动机压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后燃烧。由于冲压发动机维