民用航空燃气涡轮发动机简介

1、民航概论课程作业民用航空涡轮喷气发动机各部件简介及其工作原理姓 名： *学院(系 ： 民航（飞行）学院专业： *班 级： 0710103学 号： *二一二年十二月二十四日民用航空涡轮喷气发动机各部件简介及其工作原理民用航空自开始以来，随着时代的变迁和人们生活水平的提升，正处于高速发展状态。各经济发展较迅速的国家均争相发展自己的航空航天产业，民用航空则是一个关系民生的重要组成部分。我国自1920年开通第一条航线以来，民航正处于跨越式发展阶段，无论是投入还是硬件设施，足以与发达国家相聘美。然而发动机作为飞机的心脏，一直是遏制民航发展的一个瓶颈。作为南京航空航天大学民航学院的一名学生，在学习了民航概

2、论，飞行原理等课程后，通过参考各种文献和书籍，我在这仅其中的很小一部分，即航空涡轮喷气发动机发表自己的一些浅薄认知。民用航空发动机作为飞机的核心，关系着整架飞机的运行及安全。喷气涡轮发动机共由五部分组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。每一个部分各自发挥着作用，又相互影响，相互制约。 1. 进气道在民用航空中发动机一般是一个独立的整体，进气道也几乎与机身有一定间隔，并非作为一体化设计，当然也有将发动机与机身进行一体化设计的，一般在军用飞机中较为常见。进气道作为发动机的起始部分，有着非常重要的作用，对整台发动机的工作有着重要的影响，甚至可以说，如果进气道出问题，整台发动机都不能工作甚至毁坏

3、。进气道的作用大致为：在各种状态下，将足量的空气以最小的流动损失，顺利地引入压气机；当压气机进口处的气流马赫数小于飞行马赫数时，通过冲压压缩空气，提高空气的压力；在所有飞行条件和发动机工作状态下，进气道的增压过程避免过大的空间和时间上的气流不均匀性，以减少风扇或压气机喘振和叶片振动的危险；进气道的外阻力应尽可能小。 进气道有两种，分别是亚音速进气道和超音速进气道。在民用航空中，安全始终是放在首要地位，因此绝大部分民用客机是工作在亚音速阶段。据我所知，目前只有协和号作为超音速客机运行，但是由于种种原因，它的运行也受到限制。所以我在这只简单讨论亚音速进气道的工作原理。飞机运行速度一般为几百公里每小

4、时，根据相对运动原理，流向进气道的气流流速即为飞机空速（不考虑气流本身速度）。进气道一般为圆形，进气道唇口厚而大，目的是为了使气流尽可能平滑流进发动机，减少摩擦阻力。气流流入进气道后，有一段扩张，其目的主要是减速和增压。根据连续性定理，亚音速气流流经扩张截面时，速度减小，只有气流速度降下来后，才方便进一步的处理，由此动压减小；再根据伯努利定理，气流动压减小后，静压增大，起到了一定的增压效果，但是并非那么明显，因为进气道的主要功用还是引入足量的气流使发动机正常工作，并非增压。由于在高空飞行时可能出现飞机积冰现象，所以为保护发动机，在进气道设计时将进气道曲率半径尽可能设计的大。因为曲率半径越大，积

5、冰越弱。所以发动机进气道一般为圆而厚的唇口。2. 压气机压气机是航空燃气涡轮发动机中的一个重要部分。它的主要功用是对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，为燃气膨胀做功创造条件，以改善发动机的经济性，增大发动机的推力。其增压的方法一般是通过高速旋转的压气机叶片对气流做功，将功转变为压力势能和内能。压气机根据结构的不同和气流的流动方式不同又分为离心式压气机和轴流式压气机。但是由于离心式压气机迎风面积大，效率低等原因并未被重用。但是它在其他领域仍发挥着重要作用，如巡航导弹、无人驾驶侦察机等。离心式压气机的单级增压比较高，一般可达到12以上。图2 亚音速进气道离心式压气机由进气系统、叶轮、扩压器、集

6、气管等部分组成。其中，叶轮和扩压器是离心式压气机的两个主要部件。进气系统安装在叶轮的进口处。其流动通道是收敛形的。它的功用是使气流以一定的方向均匀地进入工作叶轮，以减小流动损失。空气在流过它时速度增大，而压力和温度下降。叶轮是高速旋转的部件，叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气在流过它时，对空气做功，加速空气的流速，同时提高空气的压力。叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种。所谓单面叶轮是在轮盘的一侧安装有叶片，从一面进气；而双面叶轮是指在轮盘的两侧都安装有叶片，从两面进气，这样可以增大进气量，而且对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处。扩压器位于叶轮的出口处，是一个环形室，装有一定数量的整流叶片，两个相邻

7、叶片间的通道是扩张形的，空气流过它时，速度下降，压力和温度都上升。轴流式压气机则是现代民用航空的重要发展对象。由于可以通过增加压气机的级数来改善其单级增压比不高的状况，轴流式压气机从问世以来一直备受青睐。单级轴流式压气机由转子和静子组成，单级增压比一般可在1.151.35.轴流式压气机的转子叶片通过高速旋转对气流做功，压缩空气，提高了空气的压力。相邻转子叶片之间的通道是扩张型的，这也是根据连续性定理和伯努利定理来对气流进行扩张增压，进一步增大气流压力，提高压气机增压效果。压气机的静子，作为导向叶片和增压部件，在压气机中也发挥着极其重要的作用。由于通过转子旋转增压后，气流方向已经改变，若不对气流

8、加以引导，在气流流经下一级压气机转子时，将不能更好地为气流增压。所以，有了压气机的静子，静子固定在机壳上，将气流流动法相加以改变，使气流顺利流入下一级压气机转子。同时，压气机两相邻静子之间的气流流通通道也是扩张型的，这也是在气流流动过程中对气流增压。图3 压气机剖面图轴流式压气机优缺点：其主要优点为可以用增加级数的方法提高压气机的总增压比，以提高压气机的效率，通常，轴流式压气机的效率可以达到87%以上；与离心式压气机相比，轴流式压气机单位面积的流通能力高，所以迎风面积小，阻力小。其缺点为单级增压比低，目前一级轴流式压气机的增压比只有1.151.35之间；结构复杂。轴流式压气机根据机匣的结构不同

9、分为三种：等外径、等内经和等中径。对于等外径的压气机，其主要是，用外径不变，增大内径的方法保证通道收缩。这种流道的优点是各级的圆周速度较大，可以提高每级的加工量，可以减少级数，同时，机匣比较容积加工。它适合于大流量，中等增压比的压气机。等内径的结构形式，用内径不变，缩小外径的方法保证流道收缩。与等外径相比，在迎风面积一样时，如果增压比一样，则最后一级叶片的高度比等外径的要大，因此可以减小端面的损失，提高级的效率，但在相同的增压比下，等内径压气机的级数要比等外径压气机的级数要多一些。它适用于小流量，高增压比的压气机。等中径的结构形式，用缩小外径，扩大内径的方法保证流道收缩。适用于大流量、高增压比

10、的压气机。 压气机基元级增压原理主要是利用扩散增w 压的原理来提高空气压力在叶轮内, 绝对速度增大, 相对速度减小, 同时, 总压、静压和总温、静温都提高; 在整流器内, 绝对速度减小, 静压和静温提高, 但总压下降, 总温保持不变.图4 压气机转子与静子 图5 压气机三种结构形式 等外径 等内径 等中径 基元级增压原理：轮缘功表达式31u f dp W w =+f w -叶栅（包括动叶栅和静叶栅）中的流动损失。轴流式压气机主要是利用扩散增压的原理来提高空气压力的。亚音速气流流过扩张形通道时，速度降低，压力升高。基元级由工作叶栅和整流器叶栅通道组成，两处叶栅通道均是扩张形的。当空气流过工作叶轮

11、叶栅时，由于高速旋转的叶片对空气做功，使气流的绝对速度增大，同时由于两个相邻叶片间的通道是扩张形的，则使气流的相对速度降低，相对运动动能转变为压力位能和内能，使气流的压力和温度上升。对气流做功，还使气流的总压和总温都提高。当气流流过整流器叶栅通道后，由于整流器中两个相邻叶片间的通道也是扩张形的，使气流的绝对速度降低，绝对运动动能转变为压力位能和内能，使气流压力进一步提高，温度也继续上升，由于在整流叶栅通道内是绝能流动，故空气总温保持不变，由于流动损失，气流总压略有下降。基元级内气流参数变化的情况：在叶轮内，绝对速度增大，相对速度减小，同时，总压、静压和总温、静温都提高；在整流器内，绝对速度减小

12、，静压和静温提高，但总压下降，总温保持不变。由此可见，空气在流过基元级时，不仅在叶轮内受到压缩，而且在整流器内也受到压缩。在叶轮内，空气压力的提高，是相对运动动能减小的结果。但是，不论是叶轮还是整流器，空气增压都是由于高速旋转的叶片对空气做功的结果。这是因为：如果叶轮不转动，则叶轮进口气流相对速度就得不到提高，同样，如果叶轮不对空气做功，叶轮出口气流绝对速度也得不到提高。轴流式压气机经过一级一级的累积后，增压效果显著，一般增压比在40以上。为下一步燃烧室的燃烧提供了条件。图6 压气机基元级增压变化3. 燃烧室燃烧室是燃气涡轮发动机的核心部件，燃料在这和空气混合后燃烧，将化学能转化为热能，形成高

13、温燃气。然后将高温高压的燃气输送到涡轮，推动涡轮做功。因此，燃烧室的工作状况与发动机的其他部件的关系也是非常密切的。 燃烧室工作的好坏，将直接影响发动机的工作与性能，根据燃烧室的功用，对其基本性能要求主要是：点火可靠，燃烧稳定,燃烧完全, 总压损失小，尺寸小，出口温度分布满足要求，排气污染小。 燃烧室主要由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套组成。从压气机出来的高压空气在燃烧室进口处分为两股，小股气流进入火焰筒头部及其小孔，与燃料混合进行燃烧，大股气流则沿着火焰筒与燃烧室外套之间的通道向后流动，以冷却火焰筒。当这股气流流到火焰筒的后段时，气流又从火焰筒上的孔洞进入火焰筒内，与燃烧区内的气流混合后流

14、向涡轮。这样就不致使火焰筒壁的温度过高，也不会使涡轮因为过热而烧毁。涡流器的作用是使空气产生旋涡，以便与燃料均匀混合，并在适当部位形成点火源。燃烧室中气流速度很高，要完成在高速中可靠点火，需要依靠涡流器。涡流器安装在火焰筒头部进口处。在两个圆环之间焊上斜向排列的叶片，称为旋流片。气流经过旋流片构成的通道而产生旋转运动，形成一个强旋流流场，中心部分形成低压区，于是火焰筒后面的高温气体便向中心区倒流，形成一个低速的重复循环区(回流区 ，重复循环的燃气把新喷进来的燃油珠迅速加热到点火的温度以促进燃烧。回流区形成类似烟圈一样的环行涡流，起稳定和保持火焰的作用。回流区内气流轴向速度分布复杂，大小和方向有

15、所不同，在轴向气流速度低的地方可形成点火源，以保证发动机在各种工作状态下稳定点火。燃烧室根据结构不同又分为三种基本形式：单管燃烧室、联管燃烧室及环形燃烧室。图7 燃烧室图8 涡流器单管燃烧室其组成是在内、外壳体之间有816个单管燃烧室，每个单管燃烧室有它自己单独的火焰筒和外套，火焰筒前安装有旋流器、喷油嘴，通常在两个单管燃烧室上装有点火装置，各个单管燃烧室之间有联焰管相连。壳体和火焰筒头部之间构成扩压通道，用来降低流速，提高压力，保证燃烧顺利进行和减少压力损失。联管形燃烧室的组成是由若干个单独的管形火焰筒沿周向均匀排列在内、外壳体之间形成的环形腔里，管形火焰筒之间用联焰管连接，在每个火焰筒前安

16、装有旋流器、喷油嘴，通常只有两个火焰筒上装有点火装置。联管形燃烧室的优点是结构比较紧凑，致使发动机的直径较小，外壳体可以传递扭矩，从而改善发动机整体刚性，有利于减轻发动机地结构重量。联管形燃烧室多用于轴流式压气机的发动机上。从气体在燃烧室内流动的情况，环形燃烧室可分为直流式的环形燃烧室，回流式的环形燃烧室和折流式的环形燃烧室三种。环形燃烧室由四个同心圆组成，最内、最外地两个圆筒为燃烧室地内、外壳体，中间两个圆筒为火焰筒，在火焰筒地头部装有一圈旋流器和喷油嘴。环形燃烧室多用于轴流式压气机的发动机，由于其结构最紧凑，性能比较好，近来很多发动机都采用环形燃烧室。燃烧室的工作过程有：点火、气流扩压减速

17、、喷油雾化、回流区的形成和作用、燃烧过程、掺混冷却。燃烧室工作在高温高压状态下，其工作最高温度可以达到1500左右，随着飞机性能的提升，对发动机的研究也在进一步提高，主要就是想提高燃烧室的温度，以提高燃气温度，达到燃油的最大利用。这就必须要考虑到材料的耐高温特性和耐高压特性，还要考虑燃油和空气的混合情况，使其混合均匀并且处于最有利于燃烧的比例。4. 涡轮涡轮是燃气涡轮发动机的重要部件之一，安装在燃烧室的后面，是在高温燃气作用下旋转做功的部件。涡轮和压气机同是和气流进行能量交换的叶片机，这决定了它们之间有很多相似之处。但是，涡轮和压气机与气流间的能量交换在程序上恰恰相反，气流流过压气机时从动叶获

18、得机械能，因而提高了气流的压力和焓；而在涡轮中，气流则将焓转变为动能，然后一部分动能通过动叶转变为功。也就是说，当压气机转动时，必须从外界输入机械能，而在涡轮运转时，可以从涡轮轴上取得功。在燃气涡轮发动机中，当压气机和涡轮平衡运转时，涡轮轴上的功除了一部分用来克服轴承上的摩擦和带动附件外，全部为压气机所吸收。 涡轮的结构与压气机相似，涡轮有静子（导向器）和转子组成。涡轮静子由涡轮导向器组成，是涡轮的主要传力部件。导向器是由在外环和内环之间安装若干个导向叶片（叫静叶）所构成，导向叶片安装内外环之间时，其中的一端是较松动地安装的，工作时由于高温膨胀而使其固定牢固，导向器安装在工作叶轮的前面，是固定

19、不动的，两个相邻的导向叶片之间的通道是收敛形的。燃气在其中膨胀加速并使气流拐弯，将燃气的一部分热能转变为动能，引导气流的流动以合适的方向流入工作叶轮。涡轮转子由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片和连接件组成。两个相邻的工作叶轮之间的通道是收敛形的，当受到燃气的冲击以及燃气在其中膨胀，便使其转动作功，去带动压气机和附件。涡轮的工作叶片由叶身和榫头两部分组成。涡轮叶片的叶身分为带冠和不带冠两种。由于涡轮是接受燃烧室的高温高压燃气，但是为了节约成本，涡轮的额材料并没有像燃烧室那样采用极度耐高温的材料，所以涡轮需要冷却。涡轮叶片的冷却一般只有第一级涡轮叶片或第一、第二级涡轮叶片需要冷却。冷却空气来源:1.燃烧室

20、的二股气流；2. 从压气机后面级直接引气；3. 压气机中间级引气。冷却涡轮叶片的冷空气通过管道引来的，冷却后的空气随燃气一起流过涡轮。因此，需要进行冷却的叶片是空心的。涡轮与压气机有许多相似之处，但是由于结构和作用不同，因此也存在许多差异。 在亚音速压气机中，压气机功约在40kj/kg以内，而涡轮的轮缘功则在200300kj/kg之间，两者相差如此悬殊，主要是因为气体在压气机中的流动是减速扩压，存在着正的压力梯度，在正压力梯度的作用下，附面层中一部分气体微团的运动不足以反抗高的反压而容易发生分离，因而在一级压气机中不允许静压提高得太多，气流转折角不能太大。至于涡轮，则由于通道是收敛的，燃气在其

21、中是加速降压，存在负压力梯度，所以附面层中的气体微团图9 涡轮不容易分离，气流的转折角可以较大，也就是说涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大，燃气膨胀的程度大，输出的轮缘功就大。其次是由于涡轮中的气流速度比压气机的大，这是因为涡轮中燃气温度比压气机中空气的温度高得多，因此当地音速也高得多，当马赫数保持在合适的范围内时，速度值高，这自然对于增加燃气做功很有利。目前流量大的一级涡轮可以输出一两万千瓦的功率，这些功率被压气机吸收，可以带动57级或更多级压气机，因此，在同一台发动机中，涡轮的级数要比轴流式压气机的级数少得多。再有涡轮叶片比压气机叶片要厚。其原因有两个：一个是涡轮叶片受热严重，金属材料的强度随着温度的升高而降低，为了保证叶片的强度，所以涡轮叶片较厚。另一个原因是涡轮叶片需要冷却，所以涡轮叶片是空心的，以便通冷却空气。5. 尾喷管喷管安装在涡轮的后面也是燃气涡轮发动机的一个重要部件。喷管的主要功用是使从涡轮流出来的燃气膨胀，加速，使燃气的一部分焓转变为动能，提高燃气的速度，使燃气以很大的速度排出，这样可以产生很大的推力；其次是通过反推力装置改变喷气方向，即变向后的喷气为向斜前方的喷气，产生反推力，以迅速降低飞机落地后的滑跑速度，缩短飞机的滑跑距离；