发动机构造第1章 概述

航空发动机构造

（72学时）

主讲：李书明参考书：《民用航空燃气涡轮发动机构造与系统》（教材）《喷气发动机》—罗•罗公司（参考书）课程介绍课程的重要性：飞行器动力工程专业的核心主干课程主要先修课程：航空发动机原理课程主要内容：航空发动机的类型及特点航空发动机的总体结构主要部件结构主要工作系统的功用、组成和工作原理教材：《民用航空燃气涡轮发动机构造与系统》参考：《TheJetEngine》—罗•罗公司目录第1章概述第2章压气机第3章燃烧室第4章涡轮第5章排气装置第6章附件传动装置和减速器目录第7章发动机总体结构第8章控制系统第9章滑油系统第10章起动和点火系统第11章其他系统（空气、操纵、指示）第12章辅助动力装置第1章概述第1.1节航空燃气涡轮发动机的作用与要求第1.2节航空燃气涡轮发动机的基本类型第1.3节典型航空涡轮风扇发动机第1.4节航空燃气涡轮发动机受力分析第1.1节航空燃气涡轮发动机的作用与要求1.1.1

航空燃气涡轮发动机的作用1.1.2对航空燃气涡轮发动机的要求第1.1.1节航空燃气涡轮发动机的作用狭义上讲航空发动机是飞机的一个重要部件，为飞机的飞行提供动力（为飞机提供推力，为直升机提供升力）。发动机工作的可靠性直接影响到飞行的安全，发动机是飞机的心脏。发动机的性能好坏对飞行器的性能有较大的影响，对飞行器的发展起到关键的作用。第1.1.1节航空燃气涡轮发动机的作用广义上讲

航空动力技术也是推动整个航空技术发展的源动力。航空动力的作用（飞机的发明）飞行原理凯利1810年我的发明惟一无法解决的就是动力问题活塞发动机戴姆勒1872年载人滑翔机发明人，德国人李林塔尔：“笨拙的蒸汽机飞机在告诉人们，不要再去飞行了”“飞行者”1号莱特兄弟1903年蒸气机瓦特1774年蒸气机瓦特1774年飞行原理凯利1810年活塞发动机戴姆勒1872年“飞行者”1号莱特兄弟1903年要实现可操纵飞行，发动机的功重比应大于0.125~0.2马力/千克最先进的蒸汽机的功重比也未超过0.1马力/千克航空动力的作用（飞机的发明）航空动力的作用（历史回顾）

1903年12月17日，美国莱特兄弟发明了世界上第一架有动力、可操纵、能持续飞行的飞机－飞行者1号，开创了人类航空新纪元，实现了人类千百年来的飞翔梦想。飞行者1号使用的发动机四缸、四冲程直排卧式活塞式汽油发动机液（水）冷压缩比：4.4长期工作功率约为12马力，短期可达16马力净重64千克，工作重量81千克功重比约为0.148~0.20马力/千克（飞行者2号、3号达0.2~0.25）战争成为航空技术发展的原动力

飞机发明后的几年，航空仅仅作为一种具有个人色彩的探险活动，发展缓慢。1908年以后，飞机潜在的军事价值受到了各国军方的高度重视。1914-1918年第一次世界

大战期间，飞机找到了最

初的用武之地，战争成为

了航空技术发展的原动力。一战期间各参战国共生产飞机

18万架。民用航空的元年一战后，航空技术迅速转为民用，1919年8月英法开通了伦敦-巴黎的定期空中客运。随后的几家航空公司组建了国际航空运输协会（IATA）。真正意义的民用航空开始于1919年。1919年是民用航空的元年。DH-4A英国一战时的轰炸机，后改装成民用飞机。起飞重量1575千克飞行速度230千米/小时1台RR-375马力发动机2个座位装有活塞式发动机的螺旋桨飞机主宰天空一战后到二战前，是民用航空初创并发展的一段时间。第二次世界大战（1939-1945）的开始中断了民航的正常发展。在两次世界大战中，

以活塞式发动机加

螺旋桨为动力的各

种作战飞机发挥了

巨大作用，到二战

结束时，以螺旋桨

为动力的飞机的飞

行速度最大达到了

约每小时700公里。活塞式发动机+螺旋桨的局限性战争的需要，希望飞机飞得更快、更高、更远。以螺旋桨为动力的飞机，当飞行速度接近音速时（每小时1000公里以上），飞行员会感到他驾驶的飞机如同突然之间撞到一堵墙一样，速度陡降，机身剧烈抖振，整个飞机

好像要散了架似的，飞行员根本无法控制。1945年6月，英国一架试验

飞机在飞行速度接近音速时

发生了严重事故，机身破裂，

飞行员丧生。当时一位英国

科学家说：“音速……像是

面前的一堵障碍墙”，于是

就出现了“音障”这个词。活塞式发动机+螺旋桨的局限性

但是“音障”实际上并不是不可逾越的，一些专家经过反复的研究和试验后终于弄清了产生“音障”的主要原因：

一方面，飞机在超音速飞行时受到的空气阻力急骤增大；

另一方面，螺旋浆的效率却明显下降。活塞式发动机固有的缺陷限制了它在飞机上的进一步发展：

功率与重量的矛盾

螺旋桨的局限

因此，活塞式发动机要承担突破

音障的任务，就显得“力不从心”了。喷气时代的到来

这样，一种重量轻、推力大的新型动力装置—喷气发动机应运而生。德国和英国各自独立地进行了喷气发动机的研制工作。1937年3月，德国亨克尔公司研制的喷气发动机首次运转。1939年8月27日，装这种发动机的He-178飞机实现了世界上第一次喷气动力飞行，首次试飞时就达到了700km/h的飞行速度，航空事业从些开始跨入了喷气时代。1941年5月15日，英国的第一架喷气式飞机升空，成为与德国“并驾齐驱”的喷气式飞机创始国。突破音速

1945年，美国决定研制一架专门用来突破“音障”的研究飞机。这种飞机命名为“X-1”，因为当时航空喷气发动机的技术水平还不足于突破“音障”，所以机上装一台火箭发动机。1947年10月14日，X-1飞机首次成功

突破“音障”，实现了超音速飞行。1976年，英法联合研制的“协和”式

超音速客机投入使用总结航空发展早期，由于缺乏合适的动力，飞机的发明比以蒸汽机为标志的工业革命晚了近140年；19世纪末、20世纪初，活塞式发动机的发明和应用，终于实现了人类的飞天之梦；20世纪前半叶，装有活塞式发动机的螺旋桨飞机主宰天空，不仅改变了战争模式，也推动了民航事业的发展；20世纪40年代，喷气发动机的出现，使飞机突破音障，实现了超音速飞行，从此进入喷气飞行时代；大函道比涡扇发动机和宽体客机的出现，使得飞机的耗油率大幅度降低，并实现了不着陆越洋飞行；21世纪航空动力技术呈现加速发展态势，将有可能研制出5~10倍高超音速飞机和空天飞机。航空动力技术是推动航空技术快速发展的源动力综观航空发展的历史，可以毫不夸张地说，发动机在航空技术的发展过程中起着关键性作用，发动机是飞机的“心脏”，航空动力技术是推动航空技术快速发展的源动力。航空动力技术既是制约航空技术发展的“瓶颈”，也是促进航空技术发展的“助推器”航空动力技术是促进飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力，在航空技术发展过程中起着决定性的关键作用。民用航空发动机的发展阶段

第1阶段：活塞式发动机第2阶段：喷气发动机

1949年出现了第一种用涡轮喷气发动机“埃汶”为动力的民航客机—彗星号，标志着民用飞机喷气发动机时代的到来。第3阶段：低函道比（1.5~2.5）涡轮风扇发动机

60年代初的低涵道比(1.5～2.5)涡轮风扇发动机，耗油率为0.07～0.08kg/（N•h），广泛用于波音-727、-737，DC-9，“三叉戟”等飞机。第4阶段：大函道比涡轮风扇发动机

1970年1月22日，装有4台涵道比为5.2、推力为193.1kN(19700kgf)的JT9D-3型大涵道比涡轮风扇发动机的大型远程旅客机波音747-100投入航线使用，标志着民用航空动力进入了全新的大涵道比涡扇发动机时代。

2001

年美国GE公司为波音-777研制成功GE90-115B高涵道比涡扇发动机，推力达到5.47×105N(55826kgf)，耗油率下降到0.05kg/（N•h）左右，是当今世界上推力最大的发动机，被收入吉尼斯世界纪录中。1.1.2

对航空燃气涡轮发动机的要求基本要求

1.性能参数：主要有推重比和耗油率。

2.可靠性与耐久性。

3.环保要求：噪声和排气污染。不同用途的发动机，其要求的侧重点也不同

军用发动机主要要求推力大、重量轻（高的推重比）、加速性好。民用发动机对可靠性、经济性和绿色环保的要求越来越高。第1.2节航空燃气涡轮发动机的基本类型1.2.1航空燃气涡轮发动机的基本类型1.2.2各类型发动机的主要特点1.2.3航空燃气涡轮发动机的组成1.2.1航空燃气涡轮发动机的基本类型航空活塞式发动机

早期飞机和直升机全部采

用，现基本淘汰航空燃气涡轮发动机

20世纪40年代开始使用，目前广泛采用两类航空发动机航空燃气涡轮发动机的基本类型1.涡轮喷气发动机（简称涡喷发动机）2.涡轮风扇发动机（简称涡扇发动机）3.涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）4.涡轮轴发动机（简称涡轴发动机）5.螺桨风扇发动机（简称桨扇发动机）1.2.2各类型发动机的主要特点一、涡轮喷气发动机（简称涡喷发动机）

涡喷发动机是20世纪50、60年代应用最为广泛的航空燃气涡轮发动机，当时不仅是高速歼击机的唯一动力，而且也为许多轰炸机、旅客机所采用。国产的歼六、歼七、歼八等歼击机上，均采用了带加力燃烧室的涡喷发动机。主要特点：适用于高速飞行。不需要受速度限制的螺旋桨作为推进器；带加力燃烧室的涡喷发动机突破音速。耗油率较高。由于涡喷发动机的推力是由高速排出高温燃气所获得的，所以在得到推力的同时，有不少由燃料燃烧所获得的能量以燃气的动能和热能的形式排出发动机，能量损失较大，因此耗油率较高。涡轮喷气发动机1.2.2各类型发动机的主要特点二、涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）

涡桨发动机是在涡喷发动机的基础上，吸取航空活塞式发动机的优点发展而来的。20世纪50年代研制的旅客机、运输机采用涡桨发动机较多，目前支线用的旅客机仍以涡桨发动机作为主要动力。主要特点：适用于低、中速飞行。由于涡桨发动机以直径较大的螺旋桨作为推进器，飞行速度受到限制，M=0.5～0.7。耗油率低。燃气中的大部分能量（85%～90%）在动力涡轮中膨胀作工，驱动螺旋桨旋转产生大部分拉力，剩下的很少能量（10%～15%）在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力。由于排气能量损失小，推进效率高，所以耗油率低。涡轮螺旋桨发动机三、涡轮轴发动机（简称涡轴发动机）

涡轴发动机是用于直升机上的，基本同于涡桨发动机，主要区别一是燃气发生器排出的燃气能量，几乎全部在动力涡轮中膨胀作工，尾喷管排气速度较低，几乎不产生推力；二是输出轴转速较高。涡轴发动机也可以作为非航空领域中的动力，如地面发电机、油泵、水泵等的动力，舰船用的动力等。1.2.2各类型发动机的主要特点涡轮轴发动机四、涡轮风扇发动机（简称涡扇发动机）

涡扇发动机是在双转子涡喷发动机的基础上，吸取涡桨发动机的优点发展起来的。其性能介于涡喷发动机和涡桨发动机之间。涡扇发动机是目前应用最为广泛的一种。较大型民航机几乎都采用涡扇发动机作为动力，带加力燃烧室的涡扇发动机则适合作高超音速（M≥2.3）作战飞机的动力装置。主要特点：耗油率低、起飞推力大、噪音低、迎风面积大。适用于较高的飞行速度，且在很广的飞行速度范围内，都能满足推力和经济性的要求。1.2.2各类型发动机的主要特点涡轮风扇发动机五、螺桨风扇发动机（简称桨扇发动机）

桨扇发动机是20世纪80年代开始发展的一种新型节能发动机。特点是兼有涡扇与涡桨发动机两者的优点，即比涡扇发动机省油，经济性接近涡桨发动机的水平，又可以接近涡扇发动机的飞行M数巡航。1.2.2各类型发动机的主要特点螺桨风扇发动机1.2.3航空燃气涡轮发动机的组成进气道飞行方向压气机燃烧室涡轮尾喷管驱动轴1.进气道用来引导足够数量的空气顺利进入压气机，在飞行速度大于压气机进口气流速度时，还可起到提高空气压力的作用（冲压作用）。进气道在结构上往往属于飞机机体的一部分，但在作用上属于发动机的组成部分。2.压气机用来压缩空气，提高空气压力。有轴流式压气机和离心式压气机。3.燃烧室由喷嘴喷出适量燃料，同压气机流来的空气混合，组织燃烧，产生高温燃气。4.涡轮在高压高温燃气推动下旋转，带动压气机工作。5.尾喷管高温高压燃气充分膨胀，将部分热能转换为动能，高速向外喷出，产生反作用推力。6.附件系统保证发动机和飞机正常工作所必需的附属系统。前者称为发动机附件，如滑油系统、燃油系统、起动和点火系统、操纵和调节系统等；后者称为飞机附件，如液压系统、气压系统、电气系统等。1.2.3航空燃气涡轮发动机的组成第1.3节典型航空涡轮风扇发动机1.3.1CFM56涡扇发动机1.3.2JT9D涡扇发动机1.3.3PW2037涡扇发动机1.3.4PW4000涡扇发动机1.3.5V2500涡扇发动机1.3.6RB211-535E4涡扇发动机中国民用航空发动机现状高涵道比涡扇发动机低涵道比涡扇发动机（JT8D-200）1.3.1CFM56涡扇发动机CFM公司是由法国斯奈克玛发动机公司和美国通用电气公司各出资一半成立的合资企业1.3.1CFM56涡扇发动机CFM公司是由法国斯奈克玛发动机公司和美国通用电气公司各出资一半成立的合资企业1.3.2JT9D涡扇发动机普惠发动机公司1.3.3PW2037涡扇发动机普惠发动机公司1.3.4PW4000涡扇发动机普惠发动机公司1.3.5V2500涡扇发动机国际航空发动机公司（IAE），股东公司有：美国PW；英国RR；日本航空发动机公司JAZC；联邦德国MTU；意大利菲亚特。

主要用于A320系列飞机，与CFM56系列争夺市场1.3.5V2500涡扇发动机1.3.6RB211-535E4涡扇发动机罗尔斯·罗伊斯公司GE90涡轮风扇发动机GE公司GE90涡轮风扇发动机GE公司1.4.1气体轴向力和发动机的推力1.4.2气体力作用于组合件上的扭矩第1.4节航空燃气涡轮发动机受力分析作用在各主要零、组件上的负荷

发动机工作时，在所有的组合件和零件上都作用着各种负荷。根据这些负荷的性质可以分为以下三类：气体负荷

气体在发动机中流动时，

由于速度、压力、方向变

化而作用在与其接触的零、

组件上的力和力矩。质量负荷

如零件的重力，转子旋转、零件振动或飞机作机动飞行时在零、组件上产生的惯性力及惯性力矩。温度负荷

由于零、组件受热不均，或相邻各零件材料不同（线膨胀系数不受同），受热后膨胀受到约束时而产生的热应力。1.4.1气体轴向力和发动机的推力

发动机形成气流通道的各零部件上都作用有气体力。通道以外，凡与气体相接触的零件表面也都作用有气体力。在此将作用在发动机机匣外表面上的气体轴向力计算在飞机的阻力中，由飞机的气动力计算去考虑，这里只考虑作用在发动机机匣内部的气体轴向力。轴向力的方向取与发动机推力相同的方向为正。轴向力的方向+

气体轴向力的计算可以分为气体静力和气体动力两部分。气体静力

气体静力等于所计算截面的气体压力和该截面面积的乘积。气体动力

气体动力可以按动量方程式间接求出。一、作用在进气装置上的气体轴向力气体静力：气体动力：总的气体轴向力：二、作用在叶轮上的气体轴向力p1·F1p1·F1p1·F1pc·Fcpb·Fbpa·Fapa·Fap2·F2p2·F2m(C2-C1)C1C2二、作用在叶轮上的气体轴向力p1·F1p1·F1p1·F1pc·Fcpb·Fbpa·Fapa·Fap2·F2p2·F2m(C2-C1)C1C2单级涡轮转子总气体轴向力为：盘后端面上的轴向力盘前在直径D4到D3之间环面上的轴向力盘前在直径D3到D2之间环面上的轴向力叶片上的气体轴向力三、发动机各部件上气体轴向力的分布及转子轴向力的减荷

根据上述计算方法，可以计算出各组合件上的气体轴向力的数值和方向。各组合件上气体轴向力的代数和，就是发动机的推力。作用于压气机转子向前的轴向力：509946N（52000kg）作用于涡轮转子向后的轴向力：226534N（23100kg）一般每个滚珠轴承约可承受9806~19600N（1000~2000kg）的轴向力，因此，每个转子都要采用数十个轴承，这不仅使发动机重量增加，在结构上也是难以实现的。为此，在现代大、中型航空燃气涡轮发动机的设计中，必须采取各种措施以减小作用于滚珠轴承上的轴向力，也即减小整台发动机转子的轴向力。经常采用的减小转子轴向力的方法（或称减荷措施）将压气机转子与涡轮转子作成刚性联接或用可以传递轴向力的联轴器联接。

509946-226534=283412N（28900kg）。在轴流式压气机最末级轮盘的后方采用封气装置限制高压气流漏入盘后空腔，并将此腔通过机匣上的定径孔与大气相通，这样就减小了作用在末级盘上的气体压力，从而减小了作用于转子上向前的轴向力。

如图中将B腔通大气，使盘后空腔的气体压力下降至0.13~0.16MPa（1.3~1.6kg／cm2），则压气机转子的轴向力可由509946N（52000kg）降到284393N（29000kg）。将压气机后级或出口级的高压气体引到压气机转子第一级轮盘前腔，使作用于第一级轮盘前端面上向后的气体压力增大，从而减小作用于转子上向前的轴向力。

如图中，当高压气体引入A腔时，作用于压气机转子上向前的轴向力即由284393N（29000kg）降到249089N（25400kg）。当同时采用上述三种减小轴向力的方法时，发动机转子的轴向力仅为22555N（2300kg），只要用两个滚珠轴承即可承受。？各组合件上气体轴向力的代数和，就是发动机的推力。采用减荷措施会不会减小发动机的推力？采用减荷措施，转子轴向力是不是越小越好？

采用减荷措施，转子轴向力是不是越小越好？

由于发动机的气流参数随着工作状态而改变，因此作用在各组合件上的气体轴向力也随着飞机飞行状态和发动机的工作状态而改变，而且在整个飞行范围内数值变化很大，所以在采用减荷措施时，不仅要考虑设计状态的转子轴向力满足要求，还要使各个工作状态的轴向力都能符合要求，既不使轴向力过大，超出滚珠轴承所能承受的范围，又不使轴向力太小或改变方向，以致引起轴承的冲击或滑蹭损伤。大型、大流量比涡扇发动机在标准状态下转子轴向力分布图。1.4.2气体力作用于组合件上的扭矩

气流在流过发动机通道中的某些组合件（压气机的静子叶片和工作叶片、涡轮导向叶片和工作叶片，尾喷管的支柱等）时，其方向沿周向发生变化，因而对发动机轴线的动量矩有了改变，这说明气体有扭矩作用于这些组合件。

由气体动量矩及牛顿第三定律可以求出气体作用于某些组合件上的扭矩为：——组件进出口处气流的平均周向分速度——组件进出口处的平均半径——流过组件的质量流量

由上式可以看出，当气流轴向进入并轴向流出该组件时，即C1u=C2u=0，则作用于该组件的总扭矩为零。

例如，在轴流式压气机中，气流一般轴向流入并轴向流出，虽然气流流过各级静子叶片和工作叶片时