06-发动机选型解析

• 远程飞机（B747）
– 其DOC对燃油效率较 敏感 – 涵道比、增压比较大
发动机的主要性能指标
• 发动机推力
– 起飞额定推力：
• 最大推力的额定值，相应于最高涡轮前温度。
• 通常每次只准使用5分钟。
– 最大连续推力：
• 允许的发动机连续使用的最大推力额定值。
• 仅在严重紧急情况下使用，以延长发动机寿命。
• 发动机参数
– 涵道比、增压比、涡轮前温度和比推力
• 选择发动机参数的准则
– 使飞机直接使用成本最小。
• 与飞机直接使用成本有关的因素
– 耗油率（影响燃油量，进而影响全机重量）
– 发动机尺寸（影响飞机阻力） – 发动机重量（影响全机重量） – 发动机价格（影响飞机价格）
发动机参数的选择
• 涵道比↑：SFC↓、重量↑、成本↑ • 增压比↑ • 涡轮前温度↑
在选择发动机参数时，要权衡发动机效率与尺寸、重量、 阻力、成本。 发动机尺寸、重 量、阻力、成本
热效率↑、复杂性↑
发动机效率
发动机参数的选择
发动机参数对直接使用成本的影响
飞机参数
Mass
与发动机
参数一体 化优化的
必要性！
发动机参数的选择
示例
• 短程飞机（F100）
– 其DOC对发动机价格 较敏感 – 涵道比、增压比较小
低速时不能启动，故 不能单独使用。
应用： 无人飞机 巡航导弹
发动机参数
• 涵道比
– 流经旁路管道的空气流量与流经燃气 发生器的空气流量之比。
• 增压比
– 压气机出口处的压力与发动机进口处 压力之比。
• 涡轮前温度
– 发动机第一级涡轮入口处燃气温度。
• 比推力
– 单位空气流量的推力。 – 是一个综合参数，取决于涵道比、增 压比和涡轮前温度。
机场适应性 ……
分析
内容提要
• 对发动机的基本要求
• 航空发动机的种类
• 发动机参数及其对发动机性能的影响
• 发动机参数的选择 • 发动机主要性能指标 • 发动机外部特性
对发动机的要求
各飞行阶段（起飞、爬升和巡航）发动机的推力 耗油率低
重量轻
发动机几何尺寸小 安全可靠，故障率低。 工作寿命长 使用维护方便
推力 发动机总空气质量流量
影响燃油效率的主要因素
发动机效率＝热效率×传输效率×推进效率
• 燃气发生器热效率：
– 增压比越高，热效率越高。 – 最大增压比受到涡轮材料和涡轮冷却技术的限制。
• 传输效率：燃气转换到推进喷流的效率。
– 主要取决与风扇和涡轮的效率。
• 推进效率：推进喷流系统的效率
– 比推力越小（风扇直径大），推进效率高。
缺点是使用寿命较低 只能用于亚声速飞机 应用：


轻型飞机
超轻型飞机
AC-5
AD-100
涡轮喷气
优点 结构紧凑 推力大 缺点 耗油率高 应用： 战斗机 产生推力原理： T m空气 (v喷－v)
教练机
涡轮螺旋浆
产生推力原理：燃气涡轮发动机喷气产生的推力很小，主 要是靠螺旋桨产生拉力 。
• 桨扇与发动机的空气流量比高达30～40。
• 当飞行M数增至0.8～0.85时，仍能保持高效率。其耗油率 与一般的涡轮螺旋桨发动机很相近。
螺旋桨风扇（Propfan） /无函道风扇（UDF）
螺旋桨风扇（Propfan） /无函道风扇（U 结构简单、重量轻；
缺点：
– 最大爬升推力
• 正常爬升中使用的最大推力
– 最大巡航推力
• 正常巡航中使用的最大推力。
发动机的主要性能指标
• 巡航耗油率
– 巡航飞行状态的耗油率。
• 推重比
– 发动机的推力与其自身重量的比值。 – 对于运输机涡扇发动机，一般为5.0～6.0。
• 单位迎面推力
– 发动机的推力与其最大迎风面积之比。 – 对于涡扇发动机，主要与涵道比有关，涵道比越大， 单位迎面推力越小。
SFC＝ 每小时消耗的燃油量 推力
• 理想耗油率
SFC理想＝ 飞机做功的热当量 所消耗燃油的热卡值 推力
在同温层，
SFC理想 ≈ 0.25Ma
• 实际耗油率
SFC理想 SFC实际＝ 发动机效率
• 现代高涵道比涡扇发动机的SFC在0.55~0.60。 • 目前发动机总效率在35％~40％。
发动机参数的选择
涡轮风扇
优点：
亚音速时不加力的耗油率较低； 加力比较大。 缺点： 迎风面积较大；
结构较复杂。
应用： 各种不同类型飞机
螺旋桨风扇（Propfan） /无函道风扇（UDF）
• 由10叶左右组成的多叶单排或双排对转的小直径螺旋桨风 扇，简称桨扇。 • 桨叶的平面形状为大后掠马刀型，翼型为宽弦、相对厚度 很薄的超临界翼型。 • 桨扇有的是由发动机直接带动，有的则是通过减速器带动， 有推进式的，也有拉进式的。
动力装置的选型
概念设计流程
设计
全机布局设计
No 满足要求？ 方案最优？
设计要求、适航条例
Yes
机身外形初步设计
确定主要参数
初 步 方 案
方案分析与评估
分 系 统 发动机选择
重量特性
动力特性 操稳特性 噪声特性 可靠性
气动特性
性能评估 经济性分析 排放量 维修性
机翼外形初步设计
尾翼外形初步设计 总体布置 形成初步方案
价格低
环保性好（噪声小，排放物少）
航空发动机的种类
• 活塞式螺旋浆
• 涡轮喷气 • 涡轮螺旋浆 • 涡轮风扇 • 冲压 • 火箭
Piston / Propeller
Turbo Jet Turbo / Propeller Turbofan Ramjet Rocket
活塞式螺旋浆
特点：
优点是价格比较便宜， 耗油率低。
比推力对发动机性能的影响
马赫数和比推力对推力损失的影响
低推力比（高涵道比）发动机随速度增加，推力损失较大。
比推力对发动机性能的影响
巡航推力相同时，比推力对发动机尺寸和重量的影响
比推力对发动机性能的影响
核心机能量相同时，比推力对静推力的影响
耗油率（SFC）
• 耗油率（ specific fuel consumption）
涡轮螺旋浆
优点：
耗油率与活塞式发动机相近，功率、耗油率的速度特性 和高度特性优于活塞式发动机；
功率重量比较大；
单位迎风面积的功率值较大； 故障率低，使用寿命长。 缺点： 受到螺旋桨效率的限制，只适用于亚声速飞机。 应用： 民用飞机 军用运输机 新舟-60 运-8
涡轮风扇
产生推力原理： T m空气 (v喷－v)