民用航空器飞机的动力装置
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自从飞机问世以来的几十年中,发动机得到了迅速 的发展:
早期的低速飞机上使用的活塞式发动机 可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机
运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机
发动机的分类
一、活塞式发动机
主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速 器、机匣等组成。
航空活塞发动机 基本组成
活塞式发动机原理
活塞式航空发动机大多是四冲程发动机,即一个气缸完成 一个工作循环,活塞在气缸内要经过四个冲程,依次是进 气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
工作原理 进气过程中,活塞下移,进气门打开,油气混合气吸 入汽缸; 接着活塞上移,进气门关闭,压缩气体; 在压缩行程末期,电咀跳电火花点火,混合气很快燃 烧,开始膨胀行程,推动活塞向下移动,从而通过连杆 带动曲轴旋转,输出功率。 最后,在排气行程中,活塞上移,排气门打开,废气 排出外界。
(3)燃烧室 将喷嘴供应的燃油和压气机供应的空气混合燃烧释放 热量,供给涡轮所需的均匀加热的平稳高温高压燃气流。 燃烧室的类型:
多个单管燃烧室
环管形燃烧室
环形燃烧室
环管形燃烧室
环形燃烧室
(4)涡轮 高温高压燃气膨胀,将热能转换成涡轮的机械能, 同时驱动压气机和附件提供功率。 在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机它还为螺旋桨和旋翼 提供轴功率。
涡扇式发动机特点
ma大:涵道比越大,流量越大 起飞、复飞推力大 效率高,适合高亚音速(M=0.8-0.9)飞行 喷气噪音低,风扇噪音大 推力由内涵和外涵共同产生,风扇是产生正推力的主要部 件。 目前,民航运输机广泛采用高涵道比的涡扇发动机,保证足 够的推力和良好的经济性。
(4)涡轮轴发动机 涡轮轴发动机包括:燃气发生器和自由涡轮。 自由涡轮和燃气发生器涡轮只有气动联系,即流过燃气发 生器涡轮的燃气再驱动自由涡轮,自由涡轮输出轴功率。 现代飞机上的辅助动力装置(APU)也是一台小型燃 气涡轮发动机,结构简单,功能单一。
七、附件系统
燃油系统
作用:给发动机提供适量的清洁燃油,并雾化燃油,便于与空气混合。 滑油系统 作用:润滑机件,减小摩擦,降低磨损;散热和冷却; 防止机件腐蚀等。 散热系统 作用:使发动机工作的温度保持在一个适当的范围。 点火系统
功用:在发动机起动和正常工作时,使电嘴适时地产生电火花,可靠地 点燃混合气。
四、发动机性能参数
3.排气温度
排气温度:涡轮进口总温是发动机最重要、最关键的一 个参数, 也是涡轮发动机的重要限制参数,用EGT表示。
4.风扇转速
高涵道比涡扇发动机,常用风扇转速n1表征推力。
推进效率:发动机产生的动能有多少用于推动飞机。
四、 发 动 机 性 能 参 数
五、发动机的安装位置
a 安装在机翼上 b 吊装在机翼下(翼吊布局) c 安装在机身尾部(尾吊布局)
(1)转子由涡轮带动高速旋转,空气被连续不断地吸入压气机;
(2)旋转的转子的叶片使空气加速,增源自文库能量使压力升高; (3)在随后的静子通道中减速(扩压)并将动能转换成压力。
(2)压气机
离心式压气机
轴流式压气机
压气机喘振
定义 当发动机工作状态严重偏离了设计值,气流在叶片 通道内发生严重的气流分离,引起气流在压气机中忽断 忽续的、轴向的、周期性的,低频高幅的振荡现象。 危害 轻微的喘振对飞行安全不会有影响,但会影响发动 机寿命。 严重的喘振会使性能恶化、振坏、烧坏机件,引起 发动机熄火、停车,甚至直接使发动机报废,危及飞行 安全。
3. 喷气发动机的组成
(1)进气道 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,并在压气机进口形成均匀的流场以避 免压气机叶片的振动和压气机失速.
(2)压气机 功能:对气体进行压缩, 提高空气的压力, 为燃气膨胀 作功创造条件。 次要功能:供应高压引气,冷却热部件;热空气用于防 冰;引气用于机舱增压、空调、燃油系统。 工作原理
四、发动机性能参数
1.发动机压力比
发动机压力比是指低压涡轮的出口总压与低压压气机进 口总压之比,同气流通过发动机的加速成比例,对于轴 流式压气机的涡扇发动机它表征推力,用 EPR 表示
2.发动机涵道比
发动机涵道比:涡扇发动机通过外涵的空气质量流量与通 过内涵的空气质量流量之比。 涵道比为: 1 左右是低涵道比; 2-3 左右是中涵道比; 4 以上是高涵道比。
第二章 民用航空器
第四节 飞机的动力装置
航空发动机被誉为“工业之花”
动力装置是飞机的核心部分,是飞机的心脏。动力 装置是指为飞机飞行提供动力的整个系统,包括发动机、 辅助动力装置及其他附件,其中最主要的是发动机。
发动机的功用:
给飞机提供推力
驱动附件:油泵、发电机等
提供气源:供给空调和增压等
发动机的发展历史
(5)尾喷管 主要功用:使从涡轮流出的燃气膨胀,加速,以一定的 速度和要求的方向排入大气,得到需要的推力。 也可通过反推力装置改变喷气方向,产生反推力,缩短 飞机的滑跑距离。
反推
反推
4.涡轮喷气发动机-优点和不足
优点: 喷气发动机重量轻、推力大,适用于高速飞行 不足: 耗油大(喷出气体的速度和温度) 经济性差 波音747-400飞机和协和式飞机
(4)涡轮轴发动机
3. 喷气发动机的组成
发动机各个部件功用如下: 进气道:恢复尽可能多的自由气流的总压,以最小的紊流 输送空气到压气机并保持飞机阻力最小。 压气机:通过旋转的叶片对空气做功,压缩空气提高空气 的压力。 燃烧室:空气和燃油混合、燃烧,将燃料化学能转变成热 能,生成高温燃气。 涡轮:燃气在涡轮内膨胀做功,涡轮功驱动压气机和附件。 喷管:燃气通过喷管继续膨胀,将燃气以一定的速度和要 求的方向排入大气,提供推力。 压气机、燃烧室、涡轮称为:燃气发生器。燃气发生器是 各种发动机的核心。
(4)与涡喷不同之处是涡轮带动螺旋桨
(5)涡桨是对大量的空气施加相对小的加速产生拉力;
涡喷是对较小量的空气施加相对大的加速产生推力。
(2)涡轮螺旋桨发动机
涡轮螺旋桨发动机产生的全部动力 螺旋桨拉力为主,90% 喷气产生推力只占10% 飞行速度 800公里/小时以下
优点:
使用航空煤油
功率远比活塞式大(载客量大)
(1)涡轮喷气发动机
(1)与活塞发动机相比结构简单,重量轻,推力大, (2)推进效率高,主要适用于超音速飞行 (3)耗油率大,噪声大
涡喷发动机剖视示意图
(2)涡轮螺旋桨发动机
螺旋桨
减速器
(2)涡桨发动机特点 (1)涡轮输出的功率大于压气机所消耗的功率,大出的部 分传给螺旋桨
(2)在一定亚音速范围内,具有较好的经济性, 发动机 工作效率比涡轮喷气发动机高的多
活塞式发动机-工作原理
航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合,在密闭的 容器(气缸)内燃烧,膨胀作功的机械。 活塞式发动机必须带动螺旋桨,由螺旋桨产生推(拉) 力。所以,作为飞机的动力装置时,发动机与螺旋桨 是不能分割的。
气缸安排形式
常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气 缸不等。在单缸容积相同的情况下,气缸数目越多发动机 功率越大。
机身吊装
大翼吊装 翼下和机尾安装
六、辅助动力装置
机载辅助动力装置(APU)用于各类运输机上,是建 立在一台小型涡轮发动机上的,装在飞机机身尾部。 基于它的能力限制一般在地面工作时,可以提供电源 和气源,用于启动主发动机及飞机空调用气,以使飞机减 少对地面设备的依赖。 在空中一定高度以后,可以提供电源、气源。如果飞 行高度继续增加,到一定高度后,它仅能提供电源。
用途:中速客机和支线客机
(3)涡轮风扇发动机
涡扇发动机组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点。
CFM56-7发动机
主要机件
(3)涡轮风扇发动机 当空气流经涡轮风扇发动机的前端风扇后,分为两个 部分: 一路是内涵气流,空气继续经压气机压缩,在燃烧室和燃 油混合燃烧,燃气经涡轮和喷管膨胀,燃气以高速从尾喷 口排出,产生推力; 另一路是外涵气流,流经风扇后的空气直接通过管道排到 机外(短外涵)或者一直流到尾喷口同内涵气流混合或分 别排出(长外涵) 外涵道与内涵道的流量之比,叫做涵道比,也叫流量比。
螺旋桨顺桨、回桨和反桨
顺桨:当双发(或多发)飞机一发失效后,为减小螺旋桨 的飞行阻力,使桨叶角增加到90度左右。
回桨:顺桨反过程,一般在发动机重新启动时用。
反桨:使桨叶角减小到出现负桨叶迎角,产生负拉力, 缩短着陆滑跑距离。
螺旋桨特点
叶尖速度最高 接近音速,产生激波,阻力大增 螺旋桨飞机的最高速度 800公里/小时以下 200到700公里/小时范围内 螺旋桨推进效率很高 产生推力的效率比喷气飞机大
特点: 耗油低,经济性好 结构简单,维护简单,可靠性好 适于低速小型飞机 用途:小型飞机和轻型直升机
二、空气喷气式发动机
1. 喷气发动机的原理
喷气发动机的推力 依靠内部气体的排出 与外部介质基本无关 螺旋桨的推力 外部介质(空气)产生推力
螺旋桨推进和喷气推进
2. 喷气发动机的类型
螺旋桨
活塞式发动机不能单独驱动飞机,它必须驱动螺旋桨 使其相对空气运动产生拉力从而使飞机运动。 螺旋桨由叶片组成,叶片的横断面相当于机翼的翼型, 它相对于空气运动时,把空气向后排开,空气的反作用力 给它一个向前的拉力,从而推动飞机运动。
螺旋桨变距
变距目的 :根据需要改变桨叶角Φ ,以保持或改变螺旋桨 转速,保证较高得螺旋桨效率,防止飞行中产生负拉力。 螺旋桨变距包括自动变距和操纵变距杆人工变距。
起动系统 功用:利用外部动力,使发动机由静止状态进入慢车工作状态。
早期的低速飞机上使用的活塞式发动机 可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机
运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机
发动机的分类
一、活塞式发动机
主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速 器、机匣等组成。
航空活塞发动机 基本组成
活塞式发动机原理
活塞式航空发动机大多是四冲程发动机,即一个气缸完成 一个工作循环,活塞在气缸内要经过四个冲程,依次是进 气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
工作原理 进气过程中,活塞下移,进气门打开,油气混合气吸 入汽缸; 接着活塞上移,进气门关闭,压缩气体; 在压缩行程末期,电咀跳电火花点火,混合气很快燃 烧,开始膨胀行程,推动活塞向下移动,从而通过连杆 带动曲轴旋转,输出功率。 最后,在排气行程中,活塞上移,排气门打开,废气 排出外界。
(3)燃烧室 将喷嘴供应的燃油和压气机供应的空气混合燃烧释放 热量,供给涡轮所需的均匀加热的平稳高温高压燃气流。 燃烧室的类型:
多个单管燃烧室
环管形燃烧室
环形燃烧室
环管形燃烧室
环形燃烧室
(4)涡轮 高温高压燃气膨胀,将热能转换成涡轮的机械能, 同时驱动压气机和附件提供功率。 在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机它还为螺旋桨和旋翼 提供轴功率。
涡扇式发动机特点
ma大:涵道比越大,流量越大 起飞、复飞推力大 效率高,适合高亚音速(M=0.8-0.9)飞行 喷气噪音低,风扇噪音大 推力由内涵和外涵共同产生,风扇是产生正推力的主要部 件。 目前,民航运输机广泛采用高涵道比的涡扇发动机,保证足 够的推力和良好的经济性。
(4)涡轮轴发动机 涡轮轴发动机包括:燃气发生器和自由涡轮。 自由涡轮和燃气发生器涡轮只有气动联系,即流过燃气发 生器涡轮的燃气再驱动自由涡轮,自由涡轮输出轴功率。 现代飞机上的辅助动力装置(APU)也是一台小型燃 气涡轮发动机,结构简单,功能单一。
七、附件系统
燃油系统
作用:给发动机提供适量的清洁燃油,并雾化燃油,便于与空气混合。 滑油系统 作用:润滑机件,减小摩擦,降低磨损;散热和冷却; 防止机件腐蚀等。 散热系统 作用:使发动机工作的温度保持在一个适当的范围。 点火系统
功用:在发动机起动和正常工作时,使电嘴适时地产生电火花,可靠地 点燃混合气。
四、发动机性能参数
3.排气温度
排气温度:涡轮进口总温是发动机最重要、最关键的一 个参数, 也是涡轮发动机的重要限制参数,用EGT表示。
4.风扇转速
高涵道比涡扇发动机,常用风扇转速n1表征推力。
推进效率:发动机产生的动能有多少用于推动飞机。
四、 发 动 机 性 能 参 数
五、发动机的安装位置
a 安装在机翼上 b 吊装在机翼下(翼吊布局) c 安装在机身尾部(尾吊布局)
(1)转子由涡轮带动高速旋转,空气被连续不断地吸入压气机;
(2)旋转的转子的叶片使空气加速,增源自文库能量使压力升高; (3)在随后的静子通道中减速(扩压)并将动能转换成压力。
(2)压气机
离心式压气机
轴流式压气机
压气机喘振
定义 当发动机工作状态严重偏离了设计值,气流在叶片 通道内发生严重的气流分离,引起气流在压气机中忽断 忽续的、轴向的、周期性的,低频高幅的振荡现象。 危害 轻微的喘振对飞行安全不会有影响,但会影响发动 机寿命。 严重的喘振会使性能恶化、振坏、烧坏机件,引起 发动机熄火、停车,甚至直接使发动机报废,危及飞行 安全。
3. 喷气发动机的组成
(1)进气道 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,并在压气机进口形成均匀的流场以避 免压气机叶片的振动和压气机失速.
(2)压气机 功能:对气体进行压缩, 提高空气的压力, 为燃气膨胀 作功创造条件。 次要功能:供应高压引气,冷却热部件;热空气用于防 冰;引气用于机舱增压、空调、燃油系统。 工作原理
四、发动机性能参数
1.发动机压力比
发动机压力比是指低压涡轮的出口总压与低压压气机进 口总压之比,同气流通过发动机的加速成比例,对于轴 流式压气机的涡扇发动机它表征推力,用 EPR 表示
2.发动机涵道比
发动机涵道比:涡扇发动机通过外涵的空气质量流量与通 过内涵的空气质量流量之比。 涵道比为: 1 左右是低涵道比; 2-3 左右是中涵道比; 4 以上是高涵道比。
第二章 民用航空器
第四节 飞机的动力装置
航空发动机被誉为“工业之花”
动力装置是飞机的核心部分,是飞机的心脏。动力 装置是指为飞机飞行提供动力的整个系统,包括发动机、 辅助动力装置及其他附件,其中最主要的是发动机。
发动机的功用:
给飞机提供推力
驱动附件:油泵、发电机等
提供气源:供给空调和增压等
发动机的发展历史
(5)尾喷管 主要功用:使从涡轮流出的燃气膨胀,加速,以一定的 速度和要求的方向排入大气,得到需要的推力。 也可通过反推力装置改变喷气方向,产生反推力,缩短 飞机的滑跑距离。
反推
反推
4.涡轮喷气发动机-优点和不足
优点: 喷气发动机重量轻、推力大,适用于高速飞行 不足: 耗油大(喷出气体的速度和温度) 经济性差 波音747-400飞机和协和式飞机
(4)涡轮轴发动机
3. 喷气发动机的组成
发动机各个部件功用如下: 进气道:恢复尽可能多的自由气流的总压,以最小的紊流 输送空气到压气机并保持飞机阻力最小。 压气机:通过旋转的叶片对空气做功,压缩空气提高空气 的压力。 燃烧室:空气和燃油混合、燃烧,将燃料化学能转变成热 能,生成高温燃气。 涡轮:燃气在涡轮内膨胀做功,涡轮功驱动压气机和附件。 喷管:燃气通过喷管继续膨胀,将燃气以一定的速度和要 求的方向排入大气,提供推力。 压气机、燃烧室、涡轮称为:燃气发生器。燃气发生器是 各种发动机的核心。
(4)与涡喷不同之处是涡轮带动螺旋桨
(5)涡桨是对大量的空气施加相对小的加速产生拉力;
涡喷是对较小量的空气施加相对大的加速产生推力。
(2)涡轮螺旋桨发动机
涡轮螺旋桨发动机产生的全部动力 螺旋桨拉力为主,90% 喷气产生推力只占10% 飞行速度 800公里/小时以下
优点:
使用航空煤油
功率远比活塞式大(载客量大)
(1)涡轮喷气发动机
(1)与活塞发动机相比结构简单,重量轻,推力大, (2)推进效率高,主要适用于超音速飞行 (3)耗油率大,噪声大
涡喷发动机剖视示意图
(2)涡轮螺旋桨发动机
螺旋桨
减速器
(2)涡桨发动机特点 (1)涡轮输出的功率大于压气机所消耗的功率,大出的部 分传给螺旋桨
(2)在一定亚音速范围内,具有较好的经济性, 发动机 工作效率比涡轮喷气发动机高的多
活塞式发动机-工作原理
航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合,在密闭的 容器(气缸)内燃烧,膨胀作功的机械。 活塞式发动机必须带动螺旋桨,由螺旋桨产生推(拉) 力。所以,作为飞机的动力装置时,发动机与螺旋桨 是不能分割的。
气缸安排形式
常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气 缸不等。在单缸容积相同的情况下,气缸数目越多发动机 功率越大。
机身吊装
大翼吊装 翼下和机尾安装
六、辅助动力装置
机载辅助动力装置(APU)用于各类运输机上,是建 立在一台小型涡轮发动机上的,装在飞机机身尾部。 基于它的能力限制一般在地面工作时,可以提供电源 和气源,用于启动主发动机及飞机空调用气,以使飞机减 少对地面设备的依赖。 在空中一定高度以后,可以提供电源、气源。如果飞 行高度继续增加,到一定高度后,它仅能提供电源。
用途:中速客机和支线客机
(3)涡轮风扇发动机
涡扇发动机组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点。
CFM56-7发动机
主要机件
(3)涡轮风扇发动机 当空气流经涡轮风扇发动机的前端风扇后,分为两个 部分: 一路是内涵气流,空气继续经压气机压缩,在燃烧室和燃 油混合燃烧,燃气经涡轮和喷管膨胀,燃气以高速从尾喷 口排出,产生推力; 另一路是外涵气流,流经风扇后的空气直接通过管道排到 机外(短外涵)或者一直流到尾喷口同内涵气流混合或分 别排出(长外涵) 外涵道与内涵道的流量之比,叫做涵道比,也叫流量比。
螺旋桨顺桨、回桨和反桨
顺桨:当双发(或多发)飞机一发失效后,为减小螺旋桨 的飞行阻力,使桨叶角增加到90度左右。
回桨:顺桨反过程,一般在发动机重新启动时用。
反桨:使桨叶角减小到出现负桨叶迎角,产生负拉力, 缩短着陆滑跑距离。
螺旋桨特点
叶尖速度最高 接近音速,产生激波,阻力大增 螺旋桨飞机的最高速度 800公里/小时以下 200到700公里/小时范围内 螺旋桨推进效率很高 产生推力的效率比喷气飞机大
特点: 耗油低,经济性好 结构简单,维护简单,可靠性好 适于低速小型飞机 用途:小型飞机和轻型直升机
二、空气喷气式发动机
1. 喷气发动机的原理
喷气发动机的推力 依靠内部气体的排出 与外部介质基本无关 螺旋桨的推力 外部介质(空气)产生推力
螺旋桨推进和喷气推进
2. 喷气发动机的类型
螺旋桨
活塞式发动机不能单独驱动飞机,它必须驱动螺旋桨 使其相对空气运动产生拉力从而使飞机运动。 螺旋桨由叶片组成,叶片的横断面相当于机翼的翼型, 它相对于空气运动时,把空气向后排开,空气的反作用力 给它一个向前的拉力,从而推动飞机运动。
螺旋桨变距
变距目的 :根据需要改变桨叶角Φ ,以保持或改变螺旋桨 转速,保证较高得螺旋桨效率,防止飞行中产生负拉力。 螺旋桨变距包括自动变距和操纵变距杆人工变距。
起动系统 功用:利用外部动力,使发动机由静止状态进入慢车工作状态。