(精品)航空科学与技术发展概论课件：先进动力技术

➢ 工作原理
喷口：高温燃气经尾 喷管膨胀加速后排出， 从而产生推力。
进气道：高 速迎面气流 经进气道减 速增压。
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燃烧室：超声速气流在燃烧室与燃料混合燃烧。
4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 优点
✓ 它可以利用大气中的氧气做为氧化剂，所以超 燃冲压发动机在高超声速飞行时，经济性能显 著优于涡喷发动机和火箭发动机。
高超声速飞行条件下，飞行器的阻力会显著增大。 冲压发动机在飞行器中的合理布局可明显减小阻力， 获得大的升阻比，升阻比会大大影响飞行器的飞行距 离。同时，发动机在飞行器中的布局会影响到飞行器 外形，对进入发动机的气流流量大小、流场品质也有 重要影响。因此，冲压发动机设计中，必须强调和总 体的一体化设计。
✓ 与涡轮喷气发动机相比，涡轮螺桨发动机在低 亚声速飞行时效率较高，耗油率小，经济性能 好。但当飞行速度进一步提高时，螺旋桨叶尖 区出现激波，螺旋桨效率急剧下降，大大降低 了原有的优势。
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4.2.2 涡轮螺桨发动机
➢结构
齿轮箱：用于减速。因为涡轮
的转速太快，需要减速齿轮来 降低螺旋桨的转速。
压气机和燃烧室原 理同涡喷发动机。
➢ 简介
✓ 超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行 燃烧的冲压发动机。
✓ 区别于亚燃冲压发动机：冲压发动机燃烧室入 口气流速度为亚声速，燃烧主要在亚声速气流 中进行。
✓ 超燃冲压发动机属于吸气式喷气发动机类，由 进气道、燃烧室和尾喷管构成，没有压气机和 涡轮等旋转部件。
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4.3.1 超燃冲压发动机
螺旋桨：由涡 轮驱动，螺旋 桨的拉力产生 大部分的推力， 占总推力的 95%左右。
尾喷口：将从 涡轮流出的燃 气膨胀加速， 向后高速排出， 产生反作用推 力。
涡轮：由燃烧室出来的高温高 压燃气驱动。并通过传动轴与 压气机、螺旋桨相连，带动压 气机和螺旋桨转动。
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4.2.3 涡扇发动机
➢ 简介
✓ 涡扇发动机是在涡轮螺桨发动机的基础上发展 起来的。把螺旋桨的直径大大缩短，增加桨叶 的数目和排数，并将所有的桨叶叶片包在机匣 内。
➢ 简介
✓ 涡轮螺桨发动机是一种主要由螺旋桨提供拉力 而燃气提供少量推力的燃气涡轮发动机。螺旋 桨产生的拉力占飞机总推力的主要部分，约为 90% 。
✓ 涡轮螺桨发动机的主要结构与涡轮喷气发动机 相似，只不过在此基础上增加了减速装臵和螺 旋桨。
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4.2.2 涡轮螺桨发动机
➢ 简介
✓ 涡轮螺桨发动机与活塞式发动机相比，具有功 率重量大、耗油率低、振动小和高空性能好的 优点。
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4.2.3 涡扇发动机
涡轮：分为低压涡轮和高压涡
轮。低压涡轮带动风扇转动，
进气道、压气
高压涡轮带动压气机转动。
机和燃烧室原
喷口：将从
理同涡喷发动
涡轮流出的
机
燃气膨胀加
速，向后高
速排出，产
风扇：同时具
生反作用推
有螺旋桨和压
力
缩空气的用途
的作用。
内涵道：另一部分空气经过
核心机，带动涡轮、压气机
外涵道：将风扇压缩的一部分空气
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4.1 航空发动机的发展历史
✓ 燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动 机，具有多种类型。
✓ 燃气涡轮发动机的核心机由压气机、燃烧室和 涡轮三大部件组成，现代涡轮喷气发动机的推 力由几kN到几百kN。
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4.1 航空发动机的发展历史
燃气涡轮发动机
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第四节 先进动力技术
4.1 • 航空发动机的发展历史 • 各类航空发动机
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4.2.5 涡轮轴发动机
➢ 简介
✓ 涡轮轴发动机是现代直升机的主要动力。其结 构与涡轮螺桨发动机很相似。不同的是燃气的 可用能量几乎全部转变成涡轮的轴功率，带动 直升机的旋翼和尾桨旋转，而燃气不提供推力
✓ 一般装有自由涡轮 (即不带动压气机，专为输 出功率用的涡轮)，而且主要用在直升机和垂直 ／短距起落飞机上。
➢ 研究状况
✓ 2004年3月27日，美国的X-43A高声速试验飞 机在3 万米高空、Ma＝7的条件下，启动超燃 冲压发动机，工作时间达10s，飞行试验取得 成功。
美国带有超燃冲 压发动机X-43A验 证机
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 研究状况
X-51A“乘波者”
✓ 2010年5月26日，美国成功试飞 X-51A “乘波者”飞 行试验机。结果，超燃冲压发动机只工作了140秒，并 未达到预期的300秒时间，飞行器的飞行速度达到了马 赫数5，尚未加速到马赫数6以上。
✓ 压气机、燃烧室和涡轮称为发动机的核心机。 ✓ 涡轮喷气发动机具有加速快、设计简便等优点，
是较早实用化的喷气发动机类型。
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4.2.1 涡喷发动机
➢ 简介
✓ 20世纪50年代初，加力燃烧室的采用使发动机 在短时间内能够大幅度提高推力，为飞机突破 声障提供足够的推力。
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4.2.1 涡喷发动机
压气机：压气机通常由多级组成，每 一级压气机包括一排转子和一排静子。 静子固定在发动机框架上，转子由转 子轴与涡轮相连。转子通过旋转时和 静子的相互作用而对空气增压。
✓ 缺点：耗油量大。
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4.Hale Waihona Puke Baidu.5 涡轮轴发动机
卡-29装的TV3-117涡轴发动机
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第四节 先进动力技术
4.1 • 航空发动机的发展历史 • 各类航空发动机
4.2
4.3 • 航空发动机的未来
4.3 航空发动机的未来
✓ 为满足21世纪各种航空器发展的要求，航空发 达国家从上世纪80年代末开始实施新的涡轮发 动机技术发展计划，其目标是掌握推重比翻一 番、耗油率大幅改善和成本大幅降低的技术。
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➢ 结构
压气机、燃烧 室原理同涡喷 发动机
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4.2.5 涡轮轴发动机
普通涡轮：带动 压气机转动
喷口：仅排出尾 气，不产生推力
动力轴：传递自由 涡轮产生的轴功率， 带动直升机螺旋桨 和尾桨的旋转
自由涡轮：在燃烧室产生的 气流带动下输出轴功率。
4.2.5 涡轮轴发动机
➢ 简介
✓ 与活塞发动机相比，涡轮轴发动机主要优点： 功率大、质量轻和体积小； 没有活塞式发动机的往复运动，振动小、噪 声低； 涡轮轴直升机的航程、速度、升限和装载量 上比活塞式直升机大，经济性也更好。
✓ 结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇 发动机飞行速度高的优点，其有效涵道比为 25～60。
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4.2.4 涡轮桨扇发动机
➢ 简介
✓ 桨扇发动机的突出优点是推进效率高，而且省 油，桨扇发动机与波音707和DC-9飞机的发动 机相比，可省油60%。
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4.2.4 涡轮桨扇发动机
桨扇发动机
安-70采用的桨扇发动机
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4.2.3 涡扇发动机
➢ 简介
✓ 质量附加原理：在发动机内获得的机械能一定 时，把这个能量传递给空气，当参与推进的空 气质量越大，则发动机的推力也越大。
✓ 涡扇发动机就是基于上述原理提出的。其结构 是在涡喷发动机的基础上增加了风扇、驱动风 扇的低压涡轮以及外涵道，一部分气流将不经 过核心机而直接通过外涵道排出。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 研究状况
X-51A“乘波者”
✓ 2011年6月13日进行的X-51A“乘波者”高超声速飞行 器第二次飞行试验中，由于超燃冲压发动机的进气道 未启动，X-51第二次飞行过早终止，在操纵人员的控 制下，飞行器溅落加利福尼亚沿海。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 关键技术
➢ 应用
✓ 超燃冲压发动机与火箭发动机相比无需自带氧 化剂，特别适宜在大气层或跨大气层中长时间 超声速或高超声速动力续航飞行。
✓ 一般应用于飞行马赫数高于6 的飞行器，如高 超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 应用
X-51A“乘波者”
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4.3.1 超燃冲压发动机
进气道：提供 均匀的气流到 压气机使压气 机有效地工作。
喷口：将从涡轮流 出的燃气膨胀加速， 向后高速排出，产 生反作用推力。
燃烧室：燃油和空气混 合燃烧，膨胀做功，推 动涡轮转动。
涡轮机：由燃烧室出来的高温 高压燃气驱动。并通过传动轴 和压气机相连，带动压气机转 动。
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4.2.2 涡轮螺桨发动机
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4.1 航空发动机的发展历史
✓ 活塞式发动机：一种把燃料的热能转化为带动 螺旋桨转动的机械能的发动机。
✓ 喷气式发动机：可以利用向后喷射高速气流， 直接产生向前的反作用力，来推动飞行器前进。
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4.1 航空发动机的发展历史
✓ 活塞式发动机的发展在二战时达到了顶峰，在 1000米高度上，816km/h是活塞发动机的极限 飞行速度，随着速度的增大，桨尖易产生激波， 发动机效率下降。
和风扇转动，产生的推力占
直接排出，产生的推力涡占扇发动发机动总机工作原理发动机总推力的10%
左右。 推力的90%左右。外涵道与内涵道
的气流流量之比称为涵道比。
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4.2.3 涡扇发动机
F119-PW-100加力式涡扇 发动机（F-22飞机上使用）
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4.2.3 涡扇发动机
➢ 简介
✓ 涡扇发动机优点 : 与涡喷发动机相比推力大、 推进效率高、噪音低、燃油消耗率低。
✓ 在高超声速推进方面，重点发展超燃冲压发动 机和脉冲爆震发动机，其他一些新概念发动机 和新能源发动机也在探索之中，如开式转子发 动机，以液氢燃料、燃料电池、太阳能等新能 源为动力的发动机。
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4.3 航空发动机的未来
1. 超燃冲压发动机 2. 脉冲爆震发动机 3. 开式转子发动机
4.3.1 超燃冲压发动机
✓ 超燃冲压发动机技术涉及到空气动力学、气动 力学、计算流体力学、燃烧学、传热学、材料 学等多学科前沿问题，并相互交叉，是超声速 燃烧、结构热防护、发动机/飞行器一体化设计、 地面模拟试验和飞行演示等众多高新技术的集 成。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 关键技术
✓ 发动机/飞行器一体化设计技术。
✓ 涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高 涵道比的民用发动机的两个方向发展。
✓ 在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，各国研 制出推重比8的涡扇发动机，目前，推重比10 的涡扇发动机已研制成功。
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4.2.4 涡轮桨扇发动机
➢ 简介
✓ 涡轮桨扇发动机是可用于800km/h以上速度飞 机飞行的一种燃气涡轮螺旋桨风扇发动机，简 称桨扇发动机。这种发动机介于涡轮风扇和涡 轮螺桨发动机之间，产生推力的装臵是桨扇。
✓ 发动机内部没有转动部件，故进气道和发动机 可以设计成任何形状的，因而也不存在高温转 动部件的冷却问题。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 优点
✓ 结构简单，质量小，成本较低。 ✓ 由于不存在涡轮叶片的耐热性限制，所以超燃
冲压发动机燃烧室可以允许更高的燃烧温度， 可以加入更多的能量，获得更大的推力。 ✓ 能源前途广阔，既可用于内部加热的化学燃料 的化学能，原子能等，也可用外部加热的激光 能，太阳能等。
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4.3.1 超燃冲压发动机
➢ 缺点
✓ 一般的超燃冲压发动机，不能自身起动，需要 助推器加速到一定速度才可工作。
✓ 飞行速度低时，性能差，效率低。 ✓ 对飞行状态的改变较敏感，当发动机离开设计
点时，性能很快恶化。 ✓ 当在宽马赫数范围内飞行时，要对进气道进行
调节，这样使得进气道结构复杂。
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4.3.1 超燃冲压发动机
✓ 尽管活塞式发动机有上述致命弱点，但是对于 低速飞机而言，它具有喷气式发动机无可比拟 的优点即效率高，耗油率低，价格低廉，噪音 较小，目前广泛用于小型低速飞机上。
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4.1 航空发动机的发展历史
典型星形 活塞式发 动机
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4.1 航空发动机的发展历史
B-36采用的 R-4360活塞 式发动机
罗·罗公司的 V-12活塞式 发动机
4.2
4.3 • 航空发动机的未来
4.2 各类航空发动机
1. 涡喷发动机 2. 涡轮螺桨发动机 3. 涡扇发动机 4. 涡轮桨扇发动机 5. 涡轮轴发动机
4.2.1 涡喷发动机
➢ 简介
✓ 涡轮喷气发动机，简称涡喷发动机，通常由进 气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。 部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃 烧室。
航空技术发展概论
第一章 战斗机技术发展
第一节 各代战斗机 第二节 先进气动布局技术 第三节 低可探测技术 第四节 先进动力技术 第五节 先进航空电子技术
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第四节 先进动力技术
4.1 • 航空发动机的发展历史 • 各类航空发动机
4.2
4.3 • 航空发动机的未来
4.1 航空发动机的发展历史
✓ 航空发动机的百年历史大致可分为两个时期： 第一个时期：从莱特兄弟的首次飞行开始 到第二次世界大战结束为止。在这个时期内， 活塞式发动机统治了40年左右。 第二个时期：从第二次世界大战结束至今。 60年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发 动机，开创了喷气时代，居航空动力的主导地 位。