01航空燃气轮机结构设计概论

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航空发动机结构设计
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波音－707
❖用JT3D涡扇换装JT3C涡喷
飞机性能的变化
❖起飞滑跑距离减少 29.4%
❖最大航程增加
27.6%
❖爬升率提高
110%
❖最大巡航速度提高 8.2%
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涡轮风扇发动机
❖ 60年代初期研制成功后，很快被民航客机广泛采 用
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航空燃气涡轮发动机结构
❖特点: ❖涉及面广 系统性不强 工程性强 不断发展
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航空燃气涡轮发动机结构
❖要求: 学会读图 分析方法 多看实物 掌握各部件的设计特点
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第一讲 航空发动机发展
一、航空燃气涡轮发动机分类
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4.涡轮喷气发动机—压气机
❖ 作用: ❖提高进入燃烧室的空气压力
❖ 重要参数: ❖增压比(P出口/P进口)
❖影响发动机性能好坏的一个主要参数
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4.涡轮喷气发动机—燃烧室
❖作用、特点、构造
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4.涡轮喷气发动机—涡轮
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联合攻击机 JSF
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JSF 波音公司方案
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联合攻击机 JSF
❖
F-35
❖ 2001年10月26日美空军宣布洛克希德.马丁的
❖ X-35方案为JSF的中标机型并命名为F-35
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动力装置之一-- 洛克西德公司
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波音777双发客机
❖ 波音777大型双发客机
❖1990年提出，1995年6月投入营运 ❖对发动机的要求
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加力式涡轮风扇发动机扇发动机
F-4“鬼怪”式战斗机 用涡扇(斯贝MK202)换装涡喷(J79)后
飞机性能的改进
最大M数
由 2.2→2.4
最大航程
↑54%
加速到M=2的时间
↓1/3
爬升到12000m的时间 ↓20%
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加力式涡轮风扇发动机
❖ 60年代后期采用高循环参数 ❖总压比≈25、T3≈1600K ❖发展高性能核心机 ❖研制成专为先进战斗机用的、推重比为8.0一 级8的发动机
❖ 推力≈20000kgf ❖ 耗油率比中小涵道涡扇发动机低1/3
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高涵道比涡扇发动机
❖采用大风扇 (高涵道比) ❖增加低压涡轮级数 ❖增加高压涡轮后的燃气能量 ❖高总压比、高涡轮前燃气温度 ❖采用先进技术
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高涵道比涡扇发动机
采用三高指标
❖特征 ❖在高性能战斗机上的应用
❖要求： ❖迎风面积小，推重比大
❖发展 ❖先进的核心机，采用小涵道比，再装上加力 燃烧室。
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加力式涡轮风扇发动机
❖ 起飞推力大 ❖ 加力比(加力推力/不加力推力)大 ❖巡航耗油率低 ❖减少迎风面积适合战斗机
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航空发动机结构设计
❖用于
歼六 强五
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
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4.涡轮喷气发动机—进气道
❖ 作用、 结构、 工作特点 ❖ 防止外物打伤；防冰
❖涡轮螺桨发动机 ❖涡轮轴发动机 ❖地面燃气轮机 ❖涡轮喷气发动机 ❖涡轮风扇发动机
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1.涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
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1.涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
❖安－70超大型运输机
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1.涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
❖ 高涵道比 ❖ 高总压比 ❖ 高涡轮前燃气温度
5.0-8.0 25-30 1600-1650k
推力18000-22000 kg 耗油率比小涡扇低1/3
高涵道比涡扇发动机特点
❖起飞推力大 ❖耗油率低 ❖噪声低
第一代宽体客机
L1011 (1972)
B747
1970年
DC-10 (1971)
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❖特征： ❖不直接产生推力，通过减速器带动螺旋桨； ❖螺桨转速不变，桨角变化，得到不同推力； ❖发动机在高亚音飞行时，热力效率高； ❖用于低速运输机及轻型飞机。
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1.涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
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1.涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
❖涡轮螺桨发动机结构简图
航空燃气涡轮发动机 结构设计
无人机母机系统研制
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高空无人驾驶侦察机
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涡喷-11B发动机
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航空燃气涡轮发动机结构
❖目的: ❖了解和掌握发动机结构设计的
❖基本原则 ❖分析方法 ❖存在的主要矛盾 ❖各种解决措施
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
❖在航空发展史中占有重要地位但存在 着较大的缺点
❖能否发展一种既能产生大的推力，经 济性又好的发动机?
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5.涡轮风扇发动机-(WS)
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涡轮风扇发动机
❖特征： ❖将涡轮出来的燃气再流入一个涡轮，在涡轮 中膨胀作功，向前驱动一个直径比原有压气机 大的风扇 (结构同于压气机)
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
❖带有两级减速器；用于直升飞机上
Sikorsky UH-60L Black Hawk Boeing AH-64D Apache Longbow
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
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❖总压比
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❖涵道比
~0.2
❖涡轮前燃气温度 ~1850~1950 K
❖3+6___1+1 反向转动的双转子
❖推力
157.5 kN
❖推重比
10.0
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F119 与 F100 比较
❖级数 17---11 少 6 级 ❖零件数少 40% ❖中间推力大 47%
可使战斗机超声速巡航 ❖巡航耗油率低 11% ❖ 可靠性、维修性好
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联合攻击机－JSF
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联合攻击机 JSF
❖一机三型 ❖一条生产线完成三型飞机生产
一机三型 ❖ CTOL型 常规起降 23 t 空军用 ❖ STOVL短距起飞垂直降落型 23 t
海军陆战队、英海军用 ❖ CV即舰载型 海军用 较前二者重
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第4代战斗机的特点
❖高的敏捷性 ❖好的隐身性 ❖短距起飞着陆能力 ❖超声速巡航能力
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四代机对发动机的要求
❖推重比大于 10.0 ❖不开加力的最大推力
❖ 即中间推力要大 ❖采用矢量喷管
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X-35矢量喷口
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
❖经济性差 ❖高温、高速燃气由尾喷管排出，能量量损失 大，因此经济性差。 ❖ 特别在开加力时，经济性更差。
❖耗油率 SFC ❖涡轮喷气发动机耗油率大，约0.90 kg/kgf/h
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
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航空发动机结构设计
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航空发动机结构设计
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第 3.5代战斗机
EF2000
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Rafale“阵风”
航空发动机结构设计
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第3.5代战斗机的发动机 (1)
❖EJ200 推力＝88.3 kN 推重比=10.0
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第3.5代战斗机的发动机 (2)
❖M88-2 推力＝75 kN 推重比=8.5
航空发动机结构设计
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
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航空发动机结构设计
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3.地面用燃气轮机
油 田 灭 火 机
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航空发动机结构设计
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3.地面用燃气轮机
野 外 发 电 机
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航空发动机结构设计
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
涡喷六（WP-6）发动机
2006年3月
❖飞机 ❖波音707、波音727、波音737、三叉戟、快帆， 伊尔62、图154、DC-9
❖发动机 ❖JT3D、JT8D、康维、斯贝、D-30。
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涡轮风扇发动机
❖循环参数 ❖总压比 ❖涡轮前燃气温度 ❖涵道比
2006年3月
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涡轮风扇发动机－军用
2006年3月
航空发动机结构设计
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联合攻击机 JSF
❖ ~2010年服役 ❖ 将与F-22成为美国主力战斗机 ❖ 投资约160亿美元 ❖ 计划生产3000架 ❖ 供英海军60架、英空军200架
2006年3月
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联合攻击机 JSF
JSF 洛克西德公司方案
2006年3月
航空发动机结构设计
2006年3月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
航空发动机结构设计
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
❖气流在发动机进、出口的变化
❖进气速度为零，排气速度大增 ❖根据牛顿第三定律，这股流过发动机的气流
产生发动机的推力。
2006年3月
航空发动机结构设计
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
❖发动机的推力 T
T=G空气×(W出口－W进口)/g
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联合攻击机 JSF
2006年3月
航空发动机结构设计
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动力装置之二---波音公司
2006年3月
航空发动机结构设计
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大涵道比涡扇发动机
2006年3月
航空发动机结构设计
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大涵道比涡扇发动机
❖ 60年代美国军方提出战略远程大型运输机 ❖ 起飞总重约350吨、航程约12000公里 ❖ 要求发动机
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矢量喷管
2006年3月
F119 航空发动机结构设计
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矢量喷口
2006年3月
航空发动机结构设计
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苏－37的超机动飞行
2006年3月
航空发动机结构设计
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苏－27的眼镜蛇机动飞行
2006年3月
航空发动机结构设计
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苏－37的钟状机动飞行
2006年3月
航空发动机结构设计
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F-22用发动机－F119-PW-100
❖风扇出来的空气一部分流入压气机 (称内涵)， 一部分由压气机外部流过 (称外涵)
2006年3月
航空发动机结构设计
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涡轮风扇发动机
❖ 特征（续） ❖由尾喷管喷出的燃气速度低了，内涵推力小了 ❖外涵气流也产生推力 ❖推力大了，排出的能量小了 ❖ 耗油率低了， 比涡喷约低1/3
涡扇发动机推力=内涵推力+外涵推力 >涡喷发动机推力
航空发动机结构设计
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高涵道比涡扇发动机
❖已在现代民机上广泛采用 ❖A300、A310、A320、A330、A340, ❖B737、B747、B757、B767、B777, ❖A3XX B747-500X、 ❖B717、A318、湾流Ⅴ
2006年3月
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波音777双发客机
2006年3月
❖作用： ❖燃气膨胀作功驱动压气机
❖组成： ❖静子 转子
❖特点： ❖高温、高转速
❖ 涡轮前燃气温度—影响发动机性能好坏的一个重 要参数
2006年3月
航空发动机结构设计
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4.涡轮喷气发动机—涡轮
❖燃气在涡轮叶片中流动
2006年3月
航空发动机结构设计
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4.涡轮喷气发动机—尾喷管
❖作用： ❖燃气膨胀以高速 (550-600 米/秒) 喷出
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
MTR390
慕尼黑涡轮联合公司/透博梅卡 /罗罗
2006年3月
航空发动机结构设计
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
❖T-700 涡轴发动机
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航空发动机结构设计
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
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航空发动机结构设计
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2.涡轮轴发动机 （WZ）
2006年3月
G空气: 每秒流进发动机的空气量，kg/s W出口: 尾喷管流出的燃气速度，m/s W进口: 流进发动机的空气速度，m/s
2006年3月
航空发动机结构设计
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4. 涡轮喷气发动机-(WP)
❖加力燃烧室 ❖装在涡轮后，短期供入燃油燃烧, 使排气温度、 速度增加，增加发动机推力。
2006年3月
航空发动机结构设计
❖F100-PW-100→F-15 (1974)
2006年3月
航空发动机结构设计
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第 3代战斗机的发动机
F100-PW-229
129.4 kN
推重比=8.0
F110-GE-129
129.1 kN
推重比=8.0
AL-31F(АЛ-31Ф) 122.6 kN
推重比=8.0
2006年3月
航空发动机结构设计