第0章 航空发动机绪论

1、12u学分：3u课时：48u平时成绩：40%u考试成绩：60%3u王云.航空发动机原理.北京：北京航空航天大学出版社，2009.（教材）u邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造.北京：国防工业出版社，2008.u陈光，洪杰，马艳红.航空燃气涡轮发动机结构.北京：北京航空航天大学出版社，2010.u刘大响，陈光.航空发动机飞机的心脏.北京：航空工业出版社，2003.451903 年12月17日在北卡罗兰娜州的Kitty Hawk首次实现动力驱动、可操纵、重于空气的飞行。6德国一战德国一战福克飞机福克飞机7美国一战美国一战寇蒂斯战机寇蒂斯战机8美国陆航的美国陆航的“P-51P-51野马野马”战机战机9

2、日本的日本的“零式零式”舰载战机舰载战机10 B-29 B-29 超级堡垒轰炸机超级堡垒轰炸机11波音波音-777-777飞机飞机波音波音-787-787飞机飞机航空发动机（aero-engine），是为航空器提供推动力推动力或支持力支持力的装置，是航空器的心脏心脏。风扇转的风扇转的越快越快，推动空，推动空气气流动更快流动更快，即单位时，即单位时间内的间内的空气流量越大空气流量越大。风扇转动空气流动空气流动的空气流动的内能内能转化成转化成风车转动的风车转动的机械能。机械能。当当风越大风越大的时候，风车的时候，风车转动越快转动越快。自然来风风车转动燃烧使空气温度升高，增加了空气的能量能量，燃烧越

3、剧烈，空气能量增加越多。TPV你敢相信吗？涡喷发动机结构与工作过程示意图（注意：图中压气机和涡轮和轴是一体的）轴也转！轴也转！风车、风扇、轴一体！风扇把空气从外面吸到里面来风车、风扇、轴一体！喷油燃烧，空气变热，能量增加风车、风扇、轴一体！热气流过风车，推动风车转动 风车转动推动风扇的转动风车、风扇、轴一体！热气流过风车后以高速喷出发动机。5550()()Fm CVA PPm5A5C5P0PVN F G5550()()Fm CVA PPNF Gm5A5C5P0PVN F G发动机推力发动机重量27 1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的飞行者一号飞机上进

4、行飞行试验。这台发动机只发出8.95 kW的功率，重量却有81 kg，功重比为0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。u在飞机用于战争目的的推动下，航空特别是在欧洲开始蓬勃发展，法国在当时处于领先地位u美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但在参战时连一架可用的新式飞机都没有。在前线的美国航空中队的6287架飞机中有4791架是法国飞机，如装备伊斯潘诺-西扎V型液冷发动机的“斯佩德”战斗机。这种发动机的功率已达130220kW, 功重比为0.7kW/daN左右。飞机速度超过200k

5、m/h，升限6650m。（这个时候大多数战斗机采用的都是液冷式）u1908年由法国塞甘兄弟发明旋转汽缸气冷星型发动机曾风行一时。这种曲轴固定而汽缸旋转的发动机终因功率的增大受到限制，在固定汽缸的气冷星型发动机的冷却问题解决之后退出了历史舞台l两次世界大战期间的技术更新：u发动机整流罩：减阻，解决发动机冷却问题，改变设计（两排或四排气缸发动机）u废气涡轮增压器：改善高空性能u变矩螺旋桨：增加螺旋桨效率和发动机功率输出u内充金属钠的冷却排气门u向气缸内喷水和甲醇混合液短时间增加功率1/3u高辛烷值燃料，抗爆，增压，提高功率，降低油耗u从20世纪20年代中期开始，气冷发动机发展迅速，但液冷发动机仍有

6、一席之地在此期间，在整流罩解决了阻力和冷却问题后，气冷星型发动机由于有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性好，功率增长潜力大等优点而得到迅速发展,并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上取代液冷发动机。在20世纪20年代中期，美国莱特公司和普惠公司先后发展出单排的“旋风”和“飓风”以及“黄蜂”和“大黄蜂发动机，最大功率超过400kW，功重比超过1kW/daN。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机的研制成功，发动机功率已提高到600820kW。此时，螺旋桨战斗机的飞行速度已超过500km/h，飞行高度达10000m。第二次世界大战开始之后和战后的主要技术：直接注油涡轮组合发动机低压点

7、火在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从小10 kW增加到2500 kW左右功率重量比从0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦耗油率从约0.50 kg/(kWh)降低到0.230.27 kg/(kWh)。翻修寿命从几十小时延长到20003000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/h提高到近800 km/h，飞行高度达到15000 m。可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰喷气时代的活塞发动机：u喷气时代的活塞式发动机 在第二次世界大战结束后，由于涡轮喷

8、气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于370 kW的水平对缸活塞式发动机发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机，旋转活塞发动机在无人机上崭露头角，而且美国NASA还正在发展用航空煤油的新型二冲程柴油机供下一代小型通用飞机使用。1913年法国工程师雷恩罗兰获得一项冲压式喷气发动机的专利。1930年英国弗兰克惠特尔取得燃气涡轮发动机专利。1939年，法国的装有涡轮喷气发动机的飞机He-178飞机第一次飞行成功。 其发动机是德国发明制造的，Hes3B；世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫-00

9、4，1940年10月开始台架试车，1941年12月推力达到980daN，1942年7月18日装在梅塞施米特Me-262飞机上试飞成功。自1944年9月至1945年5月，Me-262共击落盟军飞机613架，自己损失200架（包括非战斗损失）1941年5月14日，英国的涡轮喷气发动机装备的飞机E28/39也飞行成功，英国第一种实用发动机则出现在1943年由罗罗公司推出的威兰德，推力为755daN，推重比2.0。装载于“流星”战斗机，该机曾在英吉利海峡成功拦截德国V-2导弹1953年装有涡喷发动机的美国“超佩刀”F-100战斗机首次突破音障，实现了超音速飞行。1976年美国的战略侦察机“黑鸟”SR-

10、71创造了涡喷发动机飞机的速度世界记录3529.56km/n。1977年，前苏联的米格-25“蝙蝠侠”截击/战略轰炸机创造了涡喷发动机飞机的升限世界记录37650m。最早装燃气涡轮发动机的民航机是英国“子爵”号，装有四台“达特”涡桨发动机，1950年投入航线飞行第一架装有涡喷发动机的民航机是英国的“彗星”号，“四发”，1952年投入航线使用之后，前苏联的图104（1956年）、美国的波音707（1958年）、DC-8和康维尔880/990等，第一代喷气民航机20世纪60年代，涡轮风扇发动机研制成功。这种发动机耗油率低，噪声小，使喷气民航机变得更加经济和舒适，大大促进了民航运输业的发展。20世纪

11、70年代后，高涵道涡扇发动机研制成功。一、发动机推力大，质量小二、发动机燃油消耗率低三、发动机应具有较好的高空和速度性能四、发动机结构尺寸要小五、发动机可靠性要好六、发动机的环境污染要小七、发动机的使用寿命要长八、发动机要便于维护l活塞式发动机 在航空活塞式发动机内，燃料燃烧后放出的热能，通过气体膨胀，推动活塞而转换为机械能，机械能用来带动螺旋桨而产生拉力。l喷气式发动机 喷气发动机把燃料燃烧后放出的热能转换为气体的动能，使气体向外高速喷出而产生推力。42按基本工作原理方面的差别区分按基本工作原理方面的差别区分四行程发动机四行程发动机二行程发动机二行程发动机按发动机使用的燃料种类区分轻油发动机

12、 使用汽油、酒精等挥发性较高的燃料重油发动机 使用柴油等挥发性较低的燃料按形成混合气的方式区分汽化器式发动机直接喷射式发动机按混合气着火的方法区分点燃式发动机 电嘴产生电火花点燃混合气压燃式发动机 不装电嘴按冷却发动机的方法区分气冷式发动机 直接利用飞行中的迎面气流来冷却气缸液冷式发动机 利用循环流动的冷却液来冷却气缸按气缸排列的方式区分直列型发动机 直立型、对立型、V型、W型、H型、X型等星型发动机 单排、双排、多排按空气进入气缸以前是否增压区分吸气式发动机 外界空气直接吸入气缸增压式发动机 空气经增压器提高压力后进入气缸气冷式（星型）气冷式（星型）液冷式（液冷式（V型）型）涡喷发动机工作时

13、，连续不断地吸入空气，空气在发动机中经过压缩、燃烧和膨胀过程产生高温高压燃气从尾喷管喷出，流过发动机的气体动量增加，使发动机产生反作用推力。涡喷发动机既是热机，又是推进器。喷气发动机和活塞发动机比较相同：均以空气和燃气为工作介质。不同： 进入活塞发动机的空气不是连续的，而燃气轮机的空气是连续的。 活塞发动机等容燃烧；燃气轮机等压燃烧。（一）推力（功率）大，质量小（二）速度性能好（三）应用广泛火箭发动机火箭发动机固体火箭发动机固体火箭发动机液体火箭发动机液体火箭发动机空气喷气发动机空气喷气发动机无压气机式空无压气机式空气喷气发动机气喷气发动机有压气机式空气有压气机式空气喷气发动机喷气发动机冲压式

14、喷气发动机冲压式喷气发动机脉动式喷气发动机脉动式喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机涡轮轴发动机火箭发动机自身带有氧化剂，燃料燃烧时不需要外界输入空气来助燃，可以在真空中飞行，飞行高度不受限制。根据采用的燃料不同，分为固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种。发动机采用黑色火药、无烟火药等固体燃料。固体燃料火箭发动机能产生巨大的推力，但工作时间段且不易控制。发动机通常以煤油、酒精或液态氢作为燃料，以液态氧、硝酸等作为氧化剂。液体燃料火箭发动机工作时间长，推力大且可调节。主要用于发射人造地球卫星、载人宇宙飞船、航天飞机等

15、大型宇宙飞行器。使用液体火箭发动机创造大气层内飞机飞行速度纪录6.72马赫的X-15高超音速试验机液体火箭发动机液体燃料输送系统、燃烧室、喷管液体火箭发动机液体燃料输送系统、燃烧室、喷管组成。组成。燃料剂和氧化剂在燃烧室气化、混合、燃烧，从喷燃料剂和氧化剂在燃烧室气化、混合、燃烧，从喷管管喷出喷出产生推进力。产生推进力。 空气喷气发动机自身只带有燃料，燃料燃烧时用外界空气中的氧气助燃。只能在大气中工作，飞行高度受到一定的限制。工质是空气。根据有无压气机分为：冲压喷气发动机燃气涡轮喷气发动机飞行时，迎面气流在发动机前和进入进气道内依靠降低速度，增大压力，然后在燃烧室内与燃料混合并燃烧，高温、高压

16、燃气在喷管内膨胀加速，最后向外喷出，产生推力。冲压空气喷气发动机冲压空气喷气发动机 脉动式空气喷气发动机脉动式空气喷气发动机发动机工作时，空气的压缩除了利用冲压的作用外，主要依靠专门的压气机来完成。用于飞机的航空燃气轮机： 涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺桨发动机用于直升飞机的航空燃气轮机： 涡轮轴发动机68涡轮喷气发动机是最简单的一种航空燃气轮机，它只是在燃气发生器出口处安装了尾喷管，将高温高压燃气的能量通过尾喷管(推进器) 转变为燃气的动能，使发动机产生反作用推力 。单轴涡轮喷气发动机 双轴涡轮喷气发动机加力涡轮喷气发动机（涡轮与尾喷管之间设置加力燃烧室） 70飞机的螺桨是发动机的主

17、要推进器。 飞行高度低飞行速度慢是使用涡轮螺桨发动机的主要缺点。飞行高度不超过5000米，飞行速度一般不超过700公里/小时。 涡轮风扇发动机有内外两个涵道，在内涵燃气发生器出口增加动力涡轮，将燃气发生器产生的一部分或大部分可用功，通过动力涡轮传递给外涵通道中的压气机，大多数情况下，外涵压气机叶片是将内涵压气机叶片向外延伸，习惯上将内外涵共用的压气机称为风扇。在外涵道中的风扇叶片、尾喷管和内涵尾喷管是涡轮风扇发动机的推进器。外涵空气流量与内涵空气流量之比，称为涵道比，用B表示。 目前民用旅客机都采用大涵道比的涡轮风扇发动机，而军用歼击机所用的涡轮风扇发动机则为带有加力燃烧室的小涵通比涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机图民用大涵道比涡轮风扇发动机 军用小涵道比涡轮风扇发动机 涡轮轴发动机用于直升机，与涡桨发动机相类似，将燃气发生器产生的可用功几乎全部从动力涡轮轴上输出，带动直升机的旋翼和尾桨。涡轮轴发动机简图 机身内后部机身内后部 机翼根部机翼