发动机分类与特点及活塞式航空发动机课件.ppt

,航 空 航 天 概 论第 3 章 飞行器动力系统,1)动力系统含义包括发动机和辅助系统,飞行器的“心脏”飞机的“心脏病”问题。2)按推力形式分两大类不直接产生推力。如活塞式发动机：热能机械能螺旋桨或旋翼推力或拉力 螺旋桨旋转阻力靠发动机克服直接反作用力产生推力。如喷气式发动机：工质（空气和燃料）高温喷出反作用力,概 述,3.1 发动机的分类及特点,3.2 活塞式航空发动机,燃烧汽油的往复式内燃机。早期飞机和直升机用的航空发动机，用于带动飞机螺旋桨或直升机旋翼。二次大战后，被燃气涡轮发动机所取代。,3.2.1 活塞式发动机的主要组成,组成活塞在气缸中的往复运动，并将燃料的化学能通过燃烧变为热能，来完成热力循环。曲柄旋转带动螺旋桨,3.2.2 活塞式发动机的工作原理,四冲程：进气、压缩、膨胀、排气,发动机本身只能提供轴功率,拉力由曲柄带动的螺旋桨旋转产生，两者共同构成动力装置,飞行速度高时推进效率急剧下降，不能作为超音速飞机的动力,3.2.3 活塞式发动机的辅助系统,辅助系统保障发动机正常工作,活塞式发动机形式星形 X形 V形 直立式 对立式,星形发动机,直立式发动机,V形发动机,气冷式,液冷式,活塞发动机双排14缸星形气冷发动机,哈尔滨东安发动机公司研制，用于C-46、图-2、伊尔-14等飞机。活塞-8于1961年9月开始研制,1963年10月投入批生产。到1980年停产累计制造1300多台,3.2.4 航空活塞式发动机主要性能指标,1）发动机功率可用与驱动螺旋桨的功率称为有效功率（kW）航空发动机中，200kW到3500kW2）功率重量比发动机提供功率和发动机重量之比（kW/kg）功率达到1.85 kW/kg,3）燃料消耗率(耗油率)经济性的指标，产生1kW功率在每小时所消耗的燃料的质量（kg/kWh)耗油率为0.26-0.28 kg/kWh4）优缺点功率小、重量大、阻力大、高速时特性差低速时，效率高、耗油率低、价格低、噪音小,歼七,歼八,机头正面进气,F-16,歼十,EF 2000,腹部进气,歼八II,鹞,两侧进气（机身、翼根）,F-117,X-45,背部进气,B-2,三叉戟,短舱正面进气,7）排气系统整理燃烧后的气流，燃气膨胀加速喷出，产生推力中介管由整流锥和支板组成，起整流作用。喷口有亚音速和超音速喷口两种。,8）涡喷发动机的优缺点目前航空发动机的主要形式优点：转速高、推力大、重量轻、体积小、功率大、稳定运行，启动方便。主要用于超音速飞行，最大2-3马赫数。缺点：耗油大（特别是低转速时），经济性差，排气速度大，噪声大。9）设计原则：压力高,燃烧稳，温度高,课后作业四（下周四交D516）用作业本写 P182-P183 3，4，5，6，12，15，17，18，25，26，29，30,课堂作业四（5分钟后交）用作业纸写 1、活塞式与喷气发动机在产生推力方式上的主要区别是什么？2、活塞式和喷气式发动机分别采用汽油还是航空煤油？3、歼十飞机采用两侧进气还是腹部进气方式？,航 空 航 天 概 论第 3 章 飞行器动力系统,1)动力系统含义包括发动机和辅助系统,飞行器的“心脏”飞机的“心脏病”问题。2)按推力形式分两大类不直接产生推力。如活塞式发动机：热能机械能螺旋桨或旋翼推力或拉力 螺旋桨旋转阻力靠发动机克服直接反作用力产生推力。如喷气式发动机：工质（空气和燃料）高温喷出反作用力,概 述,3.1 发动机的分类及特点,3.3 空气喷气发动机,起花点火燃烧后向上飞升,自动旋转喷灌器喷嘴喷出高压水流的反作用力驱动喷管沿立轴旋转,高压燃气向后喷射过程使发动机产生向前的推力,3.3.1 空气喷气发动机的主要性能参数,推力：作用于发动机内外表面上压力的合力。可达几千至几十万N。单位推力：每单位流量（kg/s）的空气进入发动机所产生的推力。推重比：地面最大工作状态推力和其结构重量之比（8-10），区别全机推重比（1，0.4）耗油率：产生单位推力每小时所消耗的燃料，单位kg/(Nh)，目前可达0.04 kg/(Nh)。长寿命、高可靠性、维修方便、噪声小等。,3.3.2 燃气涡轮发动机,燃气涡轮发动机的核心机 压气机 燃烧室 涡轮,涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺桨发动机涡轮桨扇发动机涡轮轴发动机垂直起落发动机,1、涡轮喷气发动机（简称涡喷发动机）,1）主要部件 进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管,2）工作原理 4个过程：压缩、燃烧、膨胀、等压放热工作原理：空气经进气道后，速度降低，压力提高；经压气机中压缩，压力提高数十倍；入燃烧室与雾化燃油混合燃烧生成高温燃气 气体膨胀驱动涡轮高速旋转，带动压气机 燃气通过喷管高速向后喷射，产生推力,3）压气机作用提高进入发动机燃烧室的空气压力。适当多级压缩，提高增压比和压气机效率增压比：压气机出、进口总压之比。25-45压气机效率：压缩功与消耗的机械功之比。,压气机 提高进入发动机燃烧室的空气压力,离心式压气机,压气机,轴流式压气机,静子,转子,压气机,轴流式压气机,4）燃烧室作用喷嘴喷出雾化燃料（航空煤油）与高压空气混合，化学能转为内能，产生高温高压气体要求点火可靠，燃烧稳定，减小燃烧中压力损失，燃烧完全，清洁度高。（高歌）,燃烧室,涡流器,5）涡轮作用将燃烧室的高温高压燃气能量转化为机械能（约75%转化），叶片高速旋转驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件。,5）涡轮作用转化越多，功率越大。燃气温、压骤降，速度增加，剩余燃气能量产生推力。叶片需耐高温（12000C），新材料或冷却。,加力燃烧室 飞机突破音速的主要手段，70%提高,加力燃烧室,6）进气系统经进气道，整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证发动机所需的空气量将高速气流逐渐降下来，尽量将气流的动能转化为压力势能，然后进入压气机。对亚音速和超音速飞机，其进气道入口的气流轴向速度均是亚音速。,亚声速进气道,超声速进气道,进气道形状,是亚音速，还是超音速进气道？,歼七,歼六,进气道的布局位置 机头正面进气 两侧进气（机身、翼根）腹部进气 背部进气 短舱正面进气,歼七,歼八,机头正面进气,F-16,歼十,EF 2000,腹部进气,歼八II,鹞,两侧进气（机身、翼根）,F-117,X-45,背部进气,B-2,三叉戟,短舱正面进气,7）排气系统整理燃烧后的气流，燃气膨胀加速喷出，产生推力中介管由整流锥和支板组成，起整流作用。喷口有亚音速和超音速喷口两种。,8）涡喷发动机的优缺点目前航空发动机的主要形式优点：转速高、推力大、重量轻、体积小、功率大、稳定运行，启动方便。主要用于超音速飞行，最大2-3马赫数。缺点：耗油大（特别是低转速时），经济性差，排气速度大，噪声大。9）设计原则：压力高,燃烧稳，温度高,课后作业四（下周四交D516）用作业本写 P182-P183 3，4，5，6，12，15，17，18，25，26，29，30,课堂作业四（5分钟后交）用作业纸写 1、活塞式与喷气发动机在产生推力方式上的主要区别是什么？2、活塞式和喷气式发动机分别采用汽油还是航空煤油？3、歼十飞机采用两侧进气还是腹部进气方式？,航 空 航 天 概 论第 3 章 飞行器动力系统（续）,发动机的分类,冲压喷气发动机,火箭冲压发动机,涡轮冲压发动机,火箭涡轮喷气发动机,化学火箭发动机,液体火箭发动机,固体火箭发动机,固-液混合火箭发动机,非化学火箭发动机,电火箭发动机,核火箭发动机,太阳能火箭发动机,燃气涡轮发动机,涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机,涡轮螺桨发动机,涡轮桨扇发动机,涡轮轴发动机,垂直起落发动机,火箭发动机,组合发动机,空气喷气发动机,活塞式发动机,航空航天发动机,3.3 空气喷气发动机,1、涡轮喷气发动机（涡喷发动机）,3.3.2 燃气涡轮发动机核心机 压气机 燃烧室 涡轮,核心机：压气机、燃烧室、涡轮 在此基础上，按飞行器不同需要，形成多种燃气涡轮发动机。如：涡喷、涡扇、涡桨、涡轴,其他类型的燃气涡轮发动机,2、涡轮螺桨发动机（涡桨发动机）,螺旋桨提供拉力，燃气提供少量推力（10%）,两种基本形式：定轴式和自由涡轮式。适用于低亚音速飞行器，特别适合运输机。,C-130大力神,运7,图95战略轰炸机,关于涡桨发动机,与活塞式发动机相比，功率大、耗油率低、振动小、高空性能好与喷气发动机相比，低亚声速飞行时效率高，耗油率低，经济性好但当飞行速度进一步提高到800km/h以上时，桨尖激波出现，性能大大下降在涡桨基础上发展涡扇发动机,3、涡轮风扇发动机（涡扇发动机）,风扇直径小，层数多，较高速度下工作风扇 转动，压缩空气，分成两路。涵道比：外股气流与内股气流流量之比,涡扇9,能量损失小耗油率低效率高噪音水平低起飞推力大,Boeing777,Su27,发展方向：低涵道比的军用加力发动机高涵道比、高涡轮前温度、高增压比的民用发动机,4、涡轮桨扇发动机（桨扇发动机）,介于涡扇和涡桨之间，桨扇无外罩壳。桨叶数多，相对螺旋桨发动机半径小，带后掠推进效率高，省油；适用于高亚音速飞行,安70,5、涡轮轴发动机（涡轴发动机）,涡桨发动机的衍生型，直升机的主要动力。比活塞发动机易于启动、功率大、质量轻、体积小，振动小，噪声低，航程、速度、升限、装载量大；但耗油率较大,AH64,6、垂直起落发动机,可转喷口的涡轮风扇发动机,AH64,可转喷口的涡轮扇发动机,鹞,垂直起落发动机,可转喷口的涡轮扇发动机,X-32B悬停,垂直起落发动机,升力风扇发动机,X-35,垂直起落发动机,3.3.3 涡轮喷气发动机的工作状态,起飞状态：推力最大，转速和涡轮前温度都最高，允许工作510min最大状态：起飞推力的85%90%，工作30min额定状态：推力等稍低于最大状态，连续工作巡航状态：起飞推力的65%75%耗油率低，经济性好，连续工作慢车状态：起飞推力3%5%，稳定的最小转速状态，效率很低，允许工作510min,3.3.4 涡轮喷气发动机比较及适用性,均有压气机涡桨、桨扇、涡扇 桨扇有外壳，涡桨和桨扇涵道比极大 桨扇桨叶多，涡桨桨叶少，涡扇层数多 分别适合低亚、高亚和超声速 桨扇与涡桨比，桨叶直径小，数目多涡扇是军、民机发展趋势,涡喷：亚、超声速战斗机涡扇：亚、超声速民机、运输机和战斗机涡桨：低亚声速民机、运输机桨扇：高亚声速民机、运输机涡轴：军、民用直升机垂直起落发动机：短距与垂直起落战斗机,3.3.5 冲压喷气发动机,组成进气道（扩压器）、燃烧室、尾喷管无压气机,速气流减速，压力提高，压气机、涡轮及其连接件均可去掉。,只适用于马赫数大于0.5以上的飞行，速度越大越好。优点：构造简单、重量轻、推重比大、成本低。缺点：静止时不能启动，低速时效率低。一般与其他发动机组合，或靠其他飞行器带飞（靶机、亚/超音速巡航弹等）。按应用范围分为：亚声速、超声速和高超声速冲压发动机三类。,X43A超然冲压发动机(M5)燃烧室气流速度超音速,国产超音速反舰导弹采用两台亚燃冲压发动机（M5),3.3.6 脉冲式空气喷气发动机,进气活门周期性打开，推力脉冲式。静止时能启动,静止时能启动，构造简单、质量轻、成本低、推力随速度增大。振动大，活门易损坏，寿命低。德国V-1巡航弹使用，目前使用较少，航模上采用。,V1导弹,