飞机的动力装置

飞机的动力装置
3.3.1 概述
为航空器提供动力，推动航空器前进的装置，称为航空动力装置，也称航空推进系统。

它包括航空发动机以及为保证其正常工作所必需的系统和附件，如燃油系统、滑油系统、点火系统、启动系统和防火系统等。

航空推进系统是利用反作用原理为航空器提供推力的。

根据牛顿第三定律，航空推进系统驱使一种工质(工作介质)沿飞行相反方向加速流动，工质就在航空器上施加一个反作用力。

推动航空器前进的这个反作用力就是推力，其大小等于工质质量与工质在推进系统内加速度的乘积。

发动机是飞行器的动力源，它的性能对飞行器性能有极重要的影响。

人们常形象地称之为飞行器的心脏。

与航空器的发展史一样，航空发动机也经历了百余年的发展。

1885年，美国人莱特兄弟在技师泰勒的帮助下，设计制造了一台活塞式汽油发动机，1903年将这种发动机和螺旋桨装于莱特兄弟制造的一架双翼飞机，完成了人类历史上的首次有动力的飞行，开创了飞行的新纪元。

从二十世纪初到二十世纪四十年代中期，所有带动力的飞行器都毫无例外的以活塞式发动机/螺旋桨为动力装置。

飞行速度乘推力即是发动机需要提供的推进功率。

如果不考虑由螺旋桨轴功率转变为推进功率过程的损失，则发动机的输出功率就等于推进功率。

1943年左右，活塞式发动机已发展到很高的水平，单台发动机的功率可达2800kW,，耗油率近似为0.3kg/(kW.h),功率与发动机质量的比值等于1.0～1.4kW/kg,
1935年，德国人汉斯 • 冯 • 奥海因 (Hans von Ohain) 博士开始世界上第一台离心式喷气发动机 HeS-3A 的设计，于1936年完成研制。

该发动机的发展型 HeS-3B 由海特尔 • 昆特 (Hertel Günter) 博士完成，推力约400daN ，装于首架喷气式飞机亨克尔He-178 上，1939年8月27日完成首飞，使飞机的飞行速度达到700 km/h 。

1942 年，另一位德国人海尔伯特 • 瓦格纳 (Herbert Wagner) 教授完成了世界上第一台轴流燃气涡轮发动机的研制。

在瓦格纳教授的研究基础上，奥地利工程师安塞尔姆 • 弗朗兹 (Anselm Franz) 博士加以改造和完善，最终设计定型为容克 Jumo 004 涡喷发动机，推力882daN ，用作二战时期德国著名的Me-262双发喷气式战斗机的动力。

单轴不加力的涡轮喷气发动机(简称涡喷发动机)结构简图表示于图3.3.1。

图3.3.1(a)是具有轴流压气机的涡喷发动机，图3.3.1(b)是具有离心式压气机的涡喷发动机。

发动机工作时，空气连续不断地被吸入压气机，并在其中压缩增压后，进入燃烧室中喷油燃烧成为高温高压燃气，再进入涡轮中膨胀作功以驱动压气机。

经过涡轮的气流仍然具有较高的压力和温度，通过尾喷管以高速排出发动机，产生反作用推力。

假定来流速度0C ，排气速度9C ，流经发动机的空气流量a W ，由于9C >0C ，因此发动机对气流施以向后的作用力，其大小为()09C C W a -，即质量乘加速度。

根据力的相互作用原理，气流对发动机产生大小相等方向相反的力，此力即为推力：
()09C C W F a -= (3.3.1)
与活塞式发动机/螺旋桨动力装置比较，涡轮喷气发动机有如下主要特点：
1)、活塞式发动机是热机但本身不能产生推力，只能从轴上输出功率带动螺旋桨，由螺旋桨产生推力，所以螺旋桨称为推进器。

活塞式发动机(热机)加螺旋桨(推进器)称为活
塞式动力装置。

涡轮喷气发动机既是热机又是推进器；
(a)带有轴流压气机的涡轮喷气发动机
b) 带有离心式压气机的涡轮喷气发动机
图 3.3.1 典型的涡轮喷气发动机结构简图
2)、在一定的飞行速度范围内，随着飞行速度的增加，涡轮喷气发动机产生的推力增加，因为进入发动机的空气质量流量随着飞行速度的增加而增加，因此涡轮喷气发动机适于高速飞行；
3）、活塞式发动机工作时，空气是间断地进入气缸，气体的压缩、燃烧和膨胀过程发生在同一气缸中，只有一个行程对外作功；而燃气轮机工作时，空气是连续不断地被吸入，气体的压缩、燃烧和膨胀过程分别在压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等不同部件中连续地进行，因而涡轮喷气发动机有更大地功率输出；
4）、活塞式发动机是往复机械，惯性力大，故转速不能太大，涡轮喷气发动机是旋转机械，转速可以较高；
5）、活塞式发动机的燃烧过程在封闭的空间中进行，燃烧过程中气体的压力和温度急剧地上升，必须采用笨重的汽缸；涡喷发动机地燃烧过程在开口的空间进行，燃烧过程基本上是等压的，燃烧室结构轻巧；
6）与活塞式发动机相比，涡喷发动机最大的缺点是经济性差。

涡喷发动机的出现，是热机发展史上的重大突破，不仅使飞机突破了声障而且能达到声速的3倍以上。

从20世纪40年代末到21世纪初，与喷气战斗机的发展历程类似，喷气发动机的发展也大致经历了四次更新换代。

第一代，大约从20世纪40年代末到50年代中,典型的代表有在朝鲜战场中国人民志愿军使用的苏制米格15飞机/BK1-F涡喷发动机对美国F86佩刀式飞机/J47涡轮喷气发动机，两者都是亚声速飞机。

BK1-F的推力约为3000kgf,发动机推重比为2.0左右。

属于第一代的典型的代表还有苏联米格19/РД-9Б,表一列有典型的第一代航空燃气轮发动机。

表 3.3.1 第一代发动机
第二代喷气发动机，大约从20世纪50年代中使用到70年代，其典型代表列于表3.3.2。

表3.3.2 第二代发动机。