航空发动机设计方案

舰载机航空发动机设计方案

一·本型航空发动机的应用领域

舰载机是以航空母舰或其他军舰为基地的海军飞机。用于攻击空中、水面、水下和地面目标，并遂行预警、侦察、巡逻、护航、布雷、扫雷和垂直登陆等任务。它是海军航空兵的主要作战手段之一，是在海洋战场上夺取和保持制空权、制海权的重要力量。舰载机能适应海洋环境。普通舰载机一般在6级风、4～5级浪的海况下，仍能在航空母舰上起落。舰载机能远在舰炮和战术导弹射程以外进行活动；借助母舰的续航力，可远离本国领土，进入各海洋活动。舰载歼击机多兼有攻击水面、地面目标的能力，舰载强击机（攻击机）多兼有空战能力，以充分发挥有限数量舰载机的最大效能。舰载飞机的起落和飞行条件比陆上飞机恶劣,因此舰载飞机应有良好的起飞性能、较低的着陆速度、良好的低速操纵性。驾驶舱的视野开阔，在母舰和飞机上还装有特殊的导航设备，便于驾驶员对准甲板跑道。为了少占甲板面积和便于在舰上机库内存放，多数舰载飞机的机翼在停放时可以向上折叠，有的垂尾和机头也可以折转。此外，海水和潮湿的环境容易使飞机机体、发动机和机载设备严重腐蚀，飞机要有较好的防腐蚀措施。

二·航空发动机的性能设计指标

推力：15000daN

单位推力：20daN·s/kg

重量：150kg

推重比：10

耗油率：0.4kg/(h·N)

总压比：36

涡轮前温度：1800K

整机效率：50%

设计寿命：24000h

三·航空发动机的结构形式

3.1压气机

采用传统的小涵道比涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机有内外两个涵道，它的外涵风扇处于飞机进气道内，可以在跨声速或超声速飞行时工作，较之于螺浆发动机具有效率高的优点。涡扇发动机与涡喷发动机相比，它具有较高的推进效率与较大的推力。而且采用涡轮风扇发动机后，为提高热效率而提高涡轮前温度不会给推进效率带来不利影响。而且外涵道的冷空气可以在涡轮部位形成冷空气薄膜，降低涡轮前高温燃气对涡轮的损害。而且外涵道空气与涡轮后燃气相掺混，有利于增加推力并降低噪音。下面对主要部件进行阐述。

压气机依然选用轴流式压气机。空气在轴流式是压气机中的流动方向大致平行工

作轮轴，采用此中压气机的优点是其流动使其在结构上容易组织多级压缩，以没一级

都较低的整压压力比获得较高的压气机总增压压力比。每级的增压压力i1.15-1.35之间，使得空气流经每级叶片通道时无需急剧的改变方向，减少流动损失，因而压气机

效率高。特别在大流量是，轴流式压气机较其他种类的压气机更容易获得较高的压气

机效率，可达90%左右，多级轴流式压气机还具有大流量，高效率，小迎风面的优点。

采用鼓盘式转子，兼顾鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子的承受大离心载荷的能力，具体为混合式鼓盘转子，采用这种形式的转子结构，兼有可拆卸转子和不可拆卸转子

的优点，对制造技术和工艺要求不太高，同时也给设计者提供了广阔的选择空间，并

且方便检查、维修和更换。

工作叶片采用了可控扩散叶型，叶型厚度及曲率按最佳分布。基本消除了附面层

的分离，增加了压气机有效流通面积，提高了压气机效率。叶型的叶弦较宽，前后较厚，具有较好的抗腐蚀和抗冲击性。端部过弯叶身是为了减少叶片两端壁附面层所造

成的二次损失，因而将叶身尖端和根部前、后绕特别的加以弯曲。这种新一代高效能

叶片，使压气机的级效率及压气机的特性得到了进一步的提高。

喘振对轴流压气机是最危险的状态,使机组发生强烈的振动, 造成推力瓦过负荷, 能在很短时间内引起压气机的损坏。因此, 压气机应绝对避免在喘振区运行。由于压

气机运行工况的改变,特别是在供风外网阻力突然增大(如高炉悬料或管道系统阀门误

关闭), 使压气机出口风压突然上升(风量突然减小), 压气机将会迅速逼近甚至闯人喘振点而引起喘振, 即使运行操作人员监盘如何高度集中,处理如何迅速, 往往仍避免不了压气机发生喘振, 只是使喘振现象能得到及时处理。为此, 压气机防喘振保护是必不可少的, 其可靠性也是头等重要的。为了避免在叶尖处产生旋转失速，利用吹起和放气来控制附面层比较有效，采用在机匣内壁上加工成环捎、料槽，使失速裕度大大改善。同时，采用双转子压气机防喘，在相同总增压比及总级数时，当压气机转子分开后每个转子的级数减少，同时各转子可以再各自的最佳转速工作，转子的转速实现自动调节。

防冰系统。当客机在高空飞行穿过有冷水汽的云层时，或当发动机在空气湿度较高和气温接近0摄氏度的条件下工作时，发动机进口部分，如进气道唇口、整流罩、整流支板等，就会出现结冰现象。该冰层会引起发动机进口界面减小，改变发动机进口流场，使发动机的性能变差，严重时则可能会引起压气机喘振。此外，由于发动机整动，冰层可能破裂，冰块就会被吸入发动机内，打伤叶片，甚至损坏整台发动机。因此、发动机前部和进气装置采取防冰措施。为此采用对容易结冰的部件进行加温，一是压气机的热空气，二是采用电加热，本发动机采取二者结合的方式，有效避免结构结冰。

封气装置。在压气机转子和静子之间，如转子叶片顶端与机匣间，整流器内环与转子鼓间，转子前后端面与机匣间都存在着漏气损失，严重影响压气机效率。为此，除了采用良好的间隙设计外，还必须有良好的封气装置。非接触式密封可以再高相对线速度是，减少漏气面积和减少压力两个方面减少漏气损失。

3.2涡轮

采用三级的轴向式对转涡轮。它增大了高压涡轮工作轮出口气流的切线速度，加大了高压涡轮的输出功率。减轻了涡轮的结构质量。而且当飞机做机动飞行时发动机转子的高速旋转会产生巨大的陀螺力矩，由于对转涡轮有相反方向的转子，可以平衡彼此产生的陀螺力矩。该结构形式的涡轮很适合所设计航空发动机。

涡轮设计通过下面几个方法提高涡轮的耐热性。第一，强制冷却。在涡轮叶片上设计很多细小的管道，外涵道的高压冷空气通过这些管道流经高温叶片，起到强制冷却作用，这就是“空心气冷叶片”。在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对流冷却和空气冲击冷却。冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片器和涡轮叶片前缘上的孔隙中流出，被燃气带动在叶片的表面形成冷却气膜。

第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片，用耐热性能更好的陶瓷等材料制作涡轮叶片。第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜力。在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为一个单晶体，避免了晶格缺陷。

3.3涡轮的冷却技术。

第一，强制冷却，在涡轮叶片上设计了许多细小管道，高压冷空气通过这些管道流经高温叶片，起到强制冷却作，同时对流冷却在叶片中不停有冷却气流在叶片中流动以带走叶片上的热量。第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片。一些先进航空发动机公司已经开始探索用耐热性能更好的陶瓷等材料制作涡轮叶片。可是如果没有深厚的基础科学作保证，高性能的涡轮材料研制也就无从谈起。也正是这个小小的涡轮减缓了一些国家成为航空大国的步伐。第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜力。早在航空涡轮发动机诞生之初，人们就在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。精密铸造技术也是推动涡轮叶

片技术进步的重要手段。比方说单晶体叶片，就是通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为