航空发动机分类及发动机结构

» 大气温度越高, 则空气的密度越低
» 飞行高度越高, 空气的密度也越低;
–飞行速度越大, 则进入发动机的空气流量也越多;
–压气机转速越高, 进入发动机的空气流多。
• 性能参数
– 总压恢复系数
• 进气道进口处的气流速度取决于飞行速度,而进气道出口处气
流速度取决于发动机的工作状态。
• 进气道出口处的总压与来流总压之比。
考虑因素：飞行速度，进气道位置，飞行环 境
⒈ 采用收敛形进气道，减弱气流迎角的不利影 响
• 直升机常使用垂直或大坡度升、降飞行方式，这 使得发动机处于大气流迎角的条件下工作。所谓气 流迎角是指气流方向与发动机轴线间的夹角。在直 升机下降与下滑的过程中会出现正迎角，而在爬高 与悬停时会出现负迎角。大迎角会使发动机进口气 流的均匀性遭到很大的破坏，甚至发生气流分离， 这不仅增大了流动损失，而且会影响压气机的稳定 工作。为了减弱这些影响，改善气流的不均匀性， 涡轮轴发动机的进气道唇口做成亚声速翼剖面，内 通道做成具有大的收敛性通道。
进气道种类 1：亚音速进气道 ① 收敛型 ② 扩散性 2：超音速进气道 ① 内压式 ② 外压式 ③ 混合式
• 收敛形亚声速进气道 :
– 空气在收敛形亚声速进气道内的流动分两种情况：
– ⑴ 当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时，在管外，即 从0-0截面到进气道进口处（01－01截面），流速减小，压力 和温度升高，通过冲压压缩空气，而进入进气道以后，在收 敛形通道内，气流速度略有增加，压力和温度略有降低。由 于空气流入压气机时的速度小于飞行速度，故1-1截面的气流 压力和温度高于0-0截面处的压力和温度。
• 涡轮风扇发动机 （涡桨）
– 组成：由进气道,风扇,低压压气机,高压压气机,燃烧室,高压涡轮,低压涡轮 和喷管组成
– 工作原理 ：
– 内涵：涡扇发动机内路的工作情形与涡喷发动机相同。即流入内涵的空气 通过高速旋转的风扇、低压压气机和高压压气机对空气作功, 压缩空气, 提高空气的压力。高压空气在燃烧室内和燃油混合, 燃烧, 将化学能转变 为热能, 形成高温高压的燃气。高温高压的燃气首先在高压涡轮内膨胀, 推动高压涡轮旋转, 去带动高压压气机,然后在低压涡轮内膨胀,推动低压 涡轮旋转, 去带动低压压气机和风扇, 最后燃气通过喷管排入大气产生反 作用推力。
• 进气道的功用是:
– 在各种状态下, 将足够量的空气, 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。
– 对进气道的主要要求: (1) 在各种状态下, 送往发动机的 空气在通过此涵道时损失的能量最少, (2) 为了使压气 机正常工作在压气机进口截面上压力分布必须均匀。
• 涵道比 ：外涵流量与内涵流量的比值, 称为涵道比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 转子：
双转子短外涵高涵道比分别排气涡轮风扇发动机
三转子短外涵高涵道比分别排气涡轮风扇发动机
• 涡轮轴发动机
– 燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡轮而不在喷管内 膨胀产生推力。
– 涡轮轴发动机由燃气发生器和自由涡轮(又叫动力涡轮)组成。自 由涡轮与燃气发生器的涡轮没有任何机械上的联系,只靠气动来联 系,所以称为自由涡轮。
• 扩张亚音速进气道的组成
– 亚音速进气道由壳体和前整流锥组成。
• 前一段气流参数的变化规律是: 速度下降, 压力和温度升高, 也 就是空气受到压缩, 由于空气 本身速度降低而受到的压缩叫 做冲压压缩; 总压下降,总温保 持不变。
• 整流锥后气流速度稍有上升, 压力和温度稍有下降, 这样可 以使气流比较均匀地流入压气 机保证压气机的正常工作, 总压 下降, 总温保持不变。
– ⑵ 当飞行速度小于压气机进口处的气流速度时，从0截面到 压气机进口处，流速增加，压力和温度下降。
• 扩张形亚声速进气道 :
• 扩张亚音速进气道是为亚音速或低超音速范围 内的飞机所设计的进气道。
– 进气道进口截面可以是圆形截面，也可可以是非圆 形截面。亚音速进气道是扩张形的管道。使气流在 进气道内减速增压。
进口速度三角形出口速度三角形旋转失速在转速保持不变时由于某种原因使流量减小流量系数小于设计值产生正攻角气流在个别一两个叶片的叶背处发生分离分离区不是固定不变的也在变化着失速区是以较低的转速与压气机的叶轮作同方向的旋转运动故称为旋转失速喘振surge喘振的形成压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率高振幅的振荡现象喘振的根本原因
• 当飞行速度和流动损失一定时，
• 在对流层内, 随着飞行高度的增高, 大气温度下降, 所以冲压比上升；
• 在同温层内, 由于大气温度不再随高度而变化, 这时进气道的冲压比也就不 随高度而变化, 保持常数。
– 当流动损失和飞行马赫数一定时，随着飞行高度的增高, 冲压比保持不 变。
那么直升机涡轴发动机对进气道又 有哪些要求呢？
– 流动损失：当大气温度和飞行速度一定时，流动损失大，冲压比低；
– 飞行速度：当大气温度和流动损失一定时，飞行速度大，冲压比高；
– 大气温度：当飞行速度和流动损失一定时，大气温度高，冲压比低。
• 冲压比越大,说明空气在压气机前的冲压压缩程度越高。冲压比随飞 行高度的变化规律:
– 由于大气温度是随着飞行高度而变化的,
压力。
– 燃烧室：高压空气和燃油混合, 燃烧, 将化学能转变为热能, 形成 高温高压的燃气。
– 涡轮：高温高压的燃气在涡轮内膨胀, 向外输出功, 去带动压气机。 – 自由涡轮：高温高压的燃气在内膨胀, 向外输出功, 去带动旋翼。 – 喷管：使燃气继续膨胀, 加速, 提高燃气的速度。 – 燃气发生器
• 压气机, 燃烧室, 涡轮.
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p1* p0 *
• 总压恢复系数是小于1的一个数字,在此期间.94~0.98。
• 这是由于流动损失，使总压下降的结果。
– 流动损失包括有唇口损失和内部流动损失。
–内部流动损失包括粘性摩擦损失和气流分离损 失。
• 冲压比:
– 进气道出口处的总压与远前方气流静压的比值
* i
p1* p0
• 影响进气道冲压比的因素有：流动损失；飞行速度和大气温度。
– 动力涡轮轴上输出的功率通过减速器用来带动直升机的旋翼。
– 动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的旋翼。
– 直升机上装配涡轮轴发动机。
• 组成 ：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，自由涡轮, 喷管。
– 进气道：将足够的空气量, 以最小的流动损失顺利地引入压气机。 – 压气机：通过高速旋转的叶片对空气作功, 压缩空气, 提高空气的
• 燃气涡轮螺旋桨发动机 （涡桨） – 由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还安排了一个减 速器。
– 减速器的功用是使螺旋桨在较低的转速下工作,同时使发动机 在高转速下工作,双方都有较高的效率。
– 工作原理:一定量的空气通过进气道以较小的流动损失顺利地 引入压气机,在压气机中高速旋转的叶片对空气作功压缩空气 提高空气的压力,高压空气在燃烧室内与燃油混合燃烧将化学 能转变为热能形成高温高压的燃气,高温高压的燃气首先在涡 轮内膨胀,推动涡轮高速旋转输出功去带动压气机螺旋桨,螺旋 桨旋转产生拉力,燃气在喷管内继续膨胀使燃气以一定的速度 喷出,产生推力。
的合力在发动机轴线方向的分立叫发动机推力。
发动机定义
• 发动机是将燃油燃烧释放出的热能转变为 机械能的装置。
• 动力装置包括：发动机，所必需的工作系 统，如燃油系统，滑油系统，起动点火系 统。还应有防冰系统，反推系统，指示系 统和外壳体等。
燃气涡轮发动机的分类
• 涡轮喷气发动机：单转子，双转子和三转子； • 涡轮螺旋桨发动机(用于支线飞机) ； • 涡轮风扇发动机(用于干线飞机) ； • 涡轮轴发动机(用于直升机) 。
航空涡轮轴发动机按有无自由涡轮，分为 • 定轴式涡轮轴发动机 • 自由涡轮式涡轮轴发动机
定轴式涡轮轴发动
自由涡轮式涡轮轴发动机
• 根据输出功率方式的不同，自由涡轮式涡轴发动 机又可分为 后输出式、前输出式
• 前输出式可分为
内前输出式，外前输出式等几种类型。
前内输出式的自由涡轮驱动的涡轮轴发动机
• 由于自由涡轮式涡轮轴发动机具有这些优点，所以在现代直升机上得到广泛 的应用。而定轴式涡轮轴发动机仅用于一些功率较小的直升机中。
涡轴发动机部件
一.进气道 二.压气机 三.燃烧室 四.涡轮 五.喷管
进气道
定义：飞机或发动机短舱口至压气机进口的一段管 道。凡是使气流速度降低,压力升高的管道就叫扩 压器,又叫进气扩压器,也就是进气道。
• ⑵ 工作稳定，这种发动机的燃气发生器不受动力涡轮和负荷的影响，其工作 稳定性较定轴式好得多；
• ⑶ 调节性能好，由于燃气发生器和动力涡轮各自以不同的转速工作，这可以 使旋翼的转速始终调节到最佳工作转速；
• ⑷ 经济性好，动力涡轮输出转速大大低于定轴式涡轮的输出转速，因而降低 了传动系统的减速比和传动损失。而且，在各种使用条件下均可获得较低的 燃油消耗率。
自由涡轮式涡轮轴发动机的缺点是：
• ⑴ 结构比较复杂，在燃气发生器转子的基础上，增加了动力涡轮轴系，相应 的支承、转速的测量及控制；
• ⑵ 动力涡轮加速性较差，这是由于燃气发生器转子加速过程中，与带动负载 的动力涡轮无机械联系带来的缺点。但现代涡轮轴发动机通过进一步改善燃 气发生器转子的加速性能，弥补动力涡轮加速性较差的弱点。
– 燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内继续膨胀, 加速燃气, 提高 燃气的速度, 使燃气以较高的速度喷出, 产生推力。
– 从工作后的温度不同可将发动机分为冷端和热端两部分。进气道,压气机 属于冷端,而燃烧室,涡轮,喷管属于热端。
– 与航空活塞发动机相比: 航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器。 重量轻, 推力大, 推进效率高, • 在很大的飞行速度范围内, 发动机的推力随飞行速度的增加而增加。
• 进气道内所进行的能量转换是
动能转变为压力位能和热能。
–空气流量
• 单位时间流入进气道的空气质量称为空气流量。
• 单位是:公斤／秒。
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• 影响流量的因素有: 大气密度, 飞行速度和压气机的转速。
–大气密度越高, 进入发动机的空气流量越多,
» 而大气密度受大气温度和飞行高度的影响
航空发动机
知识条
1.转子定义：转子轴与涡轮转子轴通过联轴器连接, 形成发动机转子
2.海平面标准大气条件 （ T1* ＝288.15K; p1＝* 101325Pa）
3.安装角是弦线与水平线(压气机轴线)之间的夹角。 4.燃气发生器: 压气机, 燃烧室, 涡轮. 又称为发动机的核心
机。 5.发动机推力：气体流过发动机时对发动机内外壳体作用力
– 外涵：流过外涵的空气通过高速旋转的风扇叶片对空气作功, 压缩空气, 提 高空气的压力和温度, 接着空气在通道内膨胀加速, 排入大气, 也产生反作 用推力。
–
总推力=内涵推力+外涵推力
– 与涡喷发动机一样,从工作后的温度不同涡扇发动机也分为冷端和热端两 部分。进气道,风扇,低压压气机,高压压气机属于冷端,而燃烧室,高压涡轮, 低压涡轮,喷管属于热端。
• 燃气涡轮喷气发动机 （涡喷） – 工作原理:一定量的空气通过进气道以较小的流动损失顺利地引入压气机, 在压气机中高速旋转的叶片对空气作功压缩空气提高空气的压力, 高压空 气在燃烧室内与燃油混合燃烧将化学能转变为热能形成高温高压的燃气, 高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀, 推动涡轮高速旋转输出功去带动压气 机, 然后, 燃气在喷管内继续膨胀加速燃气使燃气以较高的速度喷出,产生 推力。
前外输出的涡轮轴发动机
前外输出的涡轮轴发动机
后输出的自由涡轮涡轮轴发动机
自由涡轮式涡轮轴发动机与定轴式涡轮轴发动机相比具 有如下优点：
• ⑴ 起动性能好，起动时起动机只带动燃气发生器转子，而不用带动动力涡轮 转子，故所需的起动功率大大低于同量级的定轴式涡轮轴发动机，他起动加 速快、时间短，而且不需在起动机和发动机间加装复合式离合装置；
进高 气压 道压
气 机
燃高低喷 烧压压管 室涡涡
轮轮
– 涡轮前燃气总温T3
• 最重要, 最关健的一个参数, 也是受限制的一个参数。 • 气总温的高低表示了发动机性能的高低。 • 在使用过程中它不应超过允许的最高值。
– 发动机排气温度T4
• 用符号EGT(Exhaust Gas Temperature)表示 • 一般它是低压涡轮后燃气的总温,是重要的监控参数。 • EGT 的高低反映了发动机涡轮前总温 的高低。 • EGT的变化反映发动机性能的变化。 • EGT的变化反应发动机的故障: • EGT裕度:起飞工作状态时最高EGT值与EGT最大限制值之差。它表 示发动机性能衰退的重要参数。