发动机设计大作业

民用客机航空发动机设计方案

一、本型航空发动机的应用领域

本型发动机主要用于民用客机。民用客机是体型较大、载客量较多的集体飞行运输工具，用于来往国内及国际商业航班。本客机巡航高度约为9,000米。飞机发动机有着不同的工作状态，当发动机每公里消耗燃料最少情况下的飞行速度，称为巡航速度。本客机巡航速度为亚声速，取0.8马赫。要求飞行稳定，不会产生较大颠簸，保障乘客能够舒适且安全地到达目的地。客机的总质量较大，因而相应发动机的体积，质量和推力都要远远大过战斗机发动机，使用寿命上也要求长很多，并且要求发动机具有良好的安全性和经济性等指标。客机是用于商业用途的，因而要求其发动机具有很好的性价比。涡轮风扇发动机要比涡轮喷气发动机更省油，尤其是超过声速不太多时。因此，发动机选用大涵道比涡轮风扇发动机。

飞行器简图为：

发动机这样布局是因为，发动机质量较大，对飞机结构强度有较高的要求，因而对称安置在两个机翼距机身较近的位置以提高整个飞机的安全性，保证飞机两侧重量相同，避免飞机发生左右倾斜或重心不稳的问题。

二、航空发动机的性能设计指标

发动机指标由客机的要求决定，发动机要求为:

推力：87000N

单位推力：450N•s/kg

重量：2100

推重比：4.2

耗油率：0.10kg/(h•N)

涡轮前温度：1200℃

总压比：22

整机效率：30%

三、航空发动机的结构形式选取

发动机结构简图如下：

3.1 进气口的结构形式

发动机进气口为环形，固定唇口。进气口为空气喷气发动机所需空气的进口和通道，亚声速进气口前缘较为钝圆，以避免低速起飞时进口处气流分离。内部通道多为扩散形。

在最大速度或巡航状态下，进入气流的减速增压过程大部分在进口外面完成，通道内的流体损失不大，因而有较高的效率。超声速进气道通过多个较弱的斜激波实现超声速气流的减速。超声速进气道分为外压式、内压式和混合式三类。此外，还有可调式进气口，在超声速条件下，不可调进气道只在设计状态下能与发动机协调工作，这时进气道处于最佳临界状态。在非设计状态下，譬如改变飞行速度，进气道与发动机的工作可能不协调。当发动机需要空气量超过进气道通过能力时，进气道处于低效率的超临界状态。当发动机需要空气量低于进气道通过能力时，进气道将处于亚临界溢流状态。过分的亚临界状态使阻力增加，并引起进气道喘振。为了使进气道在非设计状态下也能与发动机协调工作（即进气道与发动机匹配），提高效能，广泛应用可调式进气口。本型飞行器飞行速度为亚声速，不需要用超声速进气口和可调式进气口，亚声速进气口足以满座要求。

3.2 风扇的结构形式

单级轴流式。风扇排气涵道的收敛度大，以减少气流流过静叶的气动力损失。涡扇发动机的外函推力完全来自于风扇所产生的推力，风扇的的好坏直接的影响到发动机的性能，这一点尤其在高函道比的涡扇发动机上。多级风扇与单级风扇相比几乎没有优点，它重量大、效率低，其实它是在涡扇发动机的技主还不十分成熟的时候一种无耐的选择。

随着风扇单级增压比的一步步提高，现如今在中、高函道比的涡扇发动机上大都采用单级风扇。在战斗机上使用的低函道比涡扇发动机是为了减少重量。它的双转子其实是由风扇转子和压气机转子组成的结构。受战斗机的机内容积所限，采用大空气流量的高函道比涡扇发动机是不现实的，但为了提高推力只能提发动机的出口压力，再者风扇不光要提供全部的外函推力而且还要部分的承担压气机的任务，所以风扇只能采用比较高的增压比，采用多级风扇。本文中采用的是高涵道比发动机，于是采用单级风扇。

3.3 低压压气机和高压压气机结构形式

低压压气机：多级轴流式。高压压气机：多级轴流式。喷气发动机上所使用的压气机按其结构和工作原理可以分为两大类，一类是离心式压气机，一类是轴流式压气机。离必式压气机的外形就像是一个钝角的扁圆锥体。在这个圆锥体上有数条螺旋形的叶片，当压气机的圆盘运转时，空气就会被螺旋形的叶片“抓住”，在高速旋转所带来的巨大离心力之下，空气就会被甩进压气机圆盘与压气机机匣之间的空隙，从而实现空气的增压。与离心式压气机不同，轴流式压气机是由多级风扇所构成的，其每一级都会产生一定的增压比，各级风扇的增压比相乘就是压气机的总增压比。在现代涡扇发动机上的压气机大多是轴流式压气机，轴流式压气机有着体积小、流量大、单位效率高的优点。但在一些场合之下离心式压气机也还有用武之地，离心式压气机虽然效率比较差，而且重量大，但离心式压气机的工作比较稳定、结构简单而且单级增压比也比轴流式压气机要高数倍。比如在中国台湾的IDF上用的双转子结构的TFE1042-70涡扇发动机上，其高压压气机就采用了四级轴流式与一级离心式的组合式压气机以减少压气机的级数。多说一句，这样的组合式压气机在涡扇发动机上用的不多，但在直升机上所使用的涡轴发动机现在一般都为几级轴流式加一级离心式的组合结构。美国的“黑鹰”直升机上的T700发动机其压气机为5级轴流式加上1级离心式。压气机是涡扇发动机上比较核心的一个部件，压气机的效率高低直接的影响了发动机的工作效率。本型飞行器为民用客机，要求发动机有较高的性价比且重量要尽可能轻，对增压比的要求并不是很高，采用轴流式压气机足以满足要求。

3.4 燃烧室结构形式

短环形，直流式，不用加力燃烧室。燃气涡轮发动机的燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种：①直流式：气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。②折流式：气流由压气机流出后，折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。③回流式：压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回流。后两种形式气流流动损失大，但能缩短发动机的长度，一般用于采用离心式压气机的发动机中。环管燃烧室是由数个火焰筒围成一圈所组成，在火焰筒与火焰筒之间有传焰管相连以保证各火焰筒的出口燃气压力大至相等。可是即使是如此各火焰筒之内的燃气压力也还是不能完全相等，但各火焰筒内的微小燃气压力还不足以为患。但在各火焰筒的出口处由于相邻的两个火焰筒所喷出的燃气会发生重叠，所以在各火焰筒的出口相邻处的温度要比别处