航空发动机新技术第一章第一节课件

第一章航空发动机的作用和发展第一节航发的作用、效益和特点1，航发性能发展特点及其趋势①推重比从2~8~11②燃油消耗率③飞机推重比从0.4提高到1.2，提高了飞机的机动性和短距离起降的能力④最大马赫数从最初的亚声速发展到跨声速，到目前广泛的M2，甚至M4~6⑤旋转喷口和升力发动机技术成全了垂直起降的飞机⑥矢量喷口技术，使得飞机具备超强的机动性⑦反推力装置有效减少了机场跑道长度飞机推力矢量技术是通过改变发动机排气方向为飞机提供更强的转向力矩的技术。飞机推力矢量技术的应用能赋予战斗机超机动性、短距起降和低的可探测性，极大地提高战斗机的作战有效性和生存能力。美国、俄罗斯等发达国家都将其作为重要技术优先发展。在飞机推力矢量技术的研究中，改变发动机排气方向，即推力矢量喷管的研究是关键且具决定意义的一环。轴对称矢量喷管(AVEN)是在常规机械式收扩喷管上发展出来的一种推力矢量喷管，通过喷管扩散段的偏转改变发动机排气方向。就整个飞机推力矢量技术来讲书P100最具代表性的F119组成：3级风扇、6级压气机、环型燃烧室、单级高低压涡轮，加力燃烧室和二元推力矢量喷管构成特点：结构简单可靠、耐久性高、可靠性和保障性好等特点。作为第四代发动机，与第三代相比，在发动机结构上有如下变化：发动机的涵道比较小，为0.2~0.4；总增压比提高，为26~35；涡轮前燃气温度为1850K~2000K，3级风扇的增压比也有所增加，达到4左右；推重比明显增大，为9~12，耗油率降低8%~10%，可靠性增加了一倍，耐久性提高两倍。第四代发动机结构特点：①风扇为2~3级，高压压气机为5~6级。②燃烧室为多为短环型燃烧室；③高压涡轮均为单级；低压涡轮为1~2级；④加力燃烧室均为短加力燃烧室；⑤喷管采用多种形式，如采用二元推力矢量喷管，轴对称收敛扩散喷管，二元收敛扩散喷管第四代发动机先进技术特点：①采用复合材料的风扇机匣，风扇和压气机叶片采用三维起动设计②整体叶盘，空心叶片，阻燃钛合金压气机叶片③燃烧室三维数值计算和双旋流的空气雾化喷嘴，带旋流的混合喷嘴，浮动壁火焰筒，多孔冷却火焰筒④对转涡轮，多孔层板涡轮叶片，径向加力燃烧室，推力矢量喷管，陶瓷复合材料喷管调节片，提高了涡轮前燃气温度和跨声速压气机、涡轮的效率，降低了涵道比。喷气发动机火箭发动机空气喷气发动机固体火箭发动机液体火箭原子火箭无压气机有压气机冲压脉冲涡喷涡扇涡轴涡桨轴流式涡喷离心式涡喷组合发动机冲压+涡喷=组合组合通过核心机产生高温高压的燃气涡扇发动机按排气方式不同分类：①分开排气式涡轮风扇发动机②混合排气涡轮风扇发动机按风扇安装位置、发动机转子数目不同分类：①前风扇发动机（主力，如混排加力涡扇发动机）②后风扇发动机③高位风扇发动机按转子数目分（略）此外还有特殊形式的涡扇发动机，如供短距起降的多涵道涡扇发动机。军用涡扇一般为：带复燃加力燃烧室的混合排气涡轮风扇发动机，简称：混排式加力涡扇发动机。基本的工作原理（从工热效率、推进效率衡量）粗讲P、T、c在来流（远前方）、压气机、燃烧室、涡轮、加力和尾喷管的变化情况。推力产生原因：产生推力的原因是燃料在燃烧室内部燃烧，向气体加入了热量，这些热量经过热力循环，以产生推力的方式转化为机械能。涡扇的P、T、C变化图涡喷的P、T、C变化图3，发动机效率发动机工作时，消耗的燃料所产生的热量不可能全部转换为推动飞机前进的推进功，飞机中能量转换的有效程度可用三种有效效率表示，有效效率（热效率），推进效率和总效率：显然，总效率等于推进效率乘以有效效率（热效率），即：1）涡扇发动机①有效效率，按公式，可用功就是发动机所产生的全部有效功，消耗的燃料能是耗油量和燃油的低热值Hf的乘积②推进效率当C9=V时，此时效率为1，发动机推力为0；而当V=0时，效率为0。因此，只要推力不为0，效率总是小于1的，即燃气的气动增量不可能全部转换为推进功。2）涡喷发动机①热效率同前②推进效率涡喷发动机大于涡扇发动机，尤其在亚音速飞行时，所以涡扇推进效率比涡喷高。亚音速时，=1.5~1.8，此时涡扇效率介于0.7~0.8之间，高空加力超声速时，=2.2~2.4，效率为0.6；地空跨声速飞行，加力工作状态下，=3.0~3.2，此时效率为0.5③总效率所以总效率反应了发动机作为热机和推进器的完善程度，它表明消耗的燃料能中有多少转变为推进功，通常=0.2~0.353）涡桨①有效效率（热效率）由此可见：涡桨发动机有效效率与单位燃料消耗率和燃料的低热值成反比。②推进效率由此可见：推进效率即为螺旋桨的效率。在螺旋桨飞机中，主要推进器是螺旋桨，所以其推进效率可由螺旋桨效率来表示。③总效率即螺旋桨的总效率等于有效效率和螺旋桨效率的乘积。螺旋桨效率和涡喷推进效率随飞行速度的变化性能指标推力指标经济性指标使用性指标①推力与单位推力②推重比③迎面推力（单位截面上的最大推力）①耗油量②耗油率工作可靠起动迅速加速性好寿命长，易于维护单位推力：单位：目前燃气涡轮发动机在地面最大状态工作时，可见飞机速度变化时只能以作为经济指标2，航机在国防和国民经济中的作用①优秀的航发技术可以应用于国民经济②航发销售额可观，占航空工业总产值的20~30%③航机他用：1>燃机发电2>潜艇船舶动力3>坦克动力3.航发研究和发展特点①研制周期长②费用高③难度高第二节世界航空发动机技术发展分析1，战斗机的发展（简述）从美国第三代为代表的F100,到第四代F119，从推重比为8，上升到11.2，预计到未来推重比15~20表1-1列出了现役发动机的主要参数和用途F110F135美国空军对第四代战机发动机的要求：①具有超音速巡航能力，不加力马赫数为1.5~1.6②为飞机提供短距离起降和非常规机动能力③具有隐身能力，发动机的红外辐射和雷达散射信号要尽可能的小④发动机加力推重比提高20%⑤零部件数量减少40~60%，可靠性提高一倍，耐久性提高2倍⑥寿命期费用降低25~30%表1-2列出了第四代战斗发动机的主要参数和用途3，21世纪的战斗发动机（1）推重比为15~20的发动机方案（2）超声速垂直起落战斗机装置（1）提高发动机推重比推重比为15~20发动机与F100发动机相比，具有以下先进特点：①风扇由3级减少为1级，并且采用先进气动设计，且为空心结构②压气机由9级减为3级，转子为鼓筒式结构，采用金属基复合材料，重量比原来相比减少70%（或级间冷却）③火焰筒材料为陶瓷基复合材料，大大提高出口温度和其均匀分布④高、低压涡轮均为单级，采用陶瓷基复合材料，重量比金属材料减少30%，T3温度可以高达2200K及以上⑤综合以上条件，在结构上大大减少了风扇和压气机数量，采用了先进的复合材料，在重量上减轻了很多，推重比大大提高，因此新的发动机很可能不采用加力。⑥尾喷管采用全方位矢量喷口（2）超声速垂直起落战斗机动力装置①目前只有两种亚声速垂直起降飞机，英国鹞式，前苏联的雅克-38②原理：燃气通过可转向的喷管喷出和采用升力风扇。4，运输机发动机的发展分军用民用两类，军用为涡桨，民用为涡扇，特点均为亚声速，耗油率低（1）2万daN以上的发动机一般用于250以上座级客机表1-3列出了三种90年代大涵道比涡扇发动机的主要参数采用共同技术参数：①采用高涵道比，高总增压比和较高涡轮前温度②重量轻的无凸台风扇叶片设计，采用复合材料③高效的三维叶轮机气动设计④低污染燃烧室⑤长寿命零件②10000~20000daN的发动机1>一般用于150~250座级客机2>主要代表：RR公司和PH公司的RB211-535和PW2000，用于波音7573>表1-4列出了现役的CFM56和V2500发动机的参数③＜10000daN的发动机①用于小型客机或100~130座级的客机②代表：BR175、CFM56、PW6000③参数见表1-55，21世纪运输机发动机的发展趋势（1）亚声速发动机①采用超大涵道比，目的：提高推进效率和耗油率②高循环参数核心机，目的：提高热效率发展：05年投入发动机比90年代耗油降低15%~20%，飞机使用经济成本降低8~10%，到2015年投入发动机耗油预计降低30%，预计飞机成本提高12~15%，表1—6发展趋势（2）超声速和高超声速的发动机①特点：价格、高油耗、噪声和污染物排放②机种：涡扇，组合发动机（涡轮和冲压）和冲压发动机③研制中的涡扇发动机可以达到M=56，直升机的发展(1)现役涡轴发动机（第四代）第三代为20世纪70年代末和80年代初投入使用。详细参数见1-8（2）研制中的涡轴发动机第四代涡轴发动机主要为美国的T500，已定型且用于阿帕奇直升机上，此类发动机特点

①采用整体粒子分离器，提高防砂能力②压气机为双级离心式，转子稳定性好，便于维修并且耐腐蚀和抗外物能力强③采用回流型燃烧室和气动雾化喷嘴④装备先进数字电控系统（3）21世纪直升机动力发展趋势发展方向：①提高发动机循环参数和部件效率②发展高速旋翼推进技术详细发展趋势见1-9较高的增压比和涡轮前燃气温度内部结构改进特点：①要提高总增压比，即采用混合压气机，即轴流式加离心式②提高涡轮前燃气温度，采用径向内流式冷却涡轮外部结构（提高速度）①采用变直径旋翼或可变输出转速的发动机②折叠式