1、飛機與發(fā)動機A Brief Introduction to Aero-engine(發(fā)動機部分） (20學(xué)時),飛行學(xué)院 飛機與發(fā)動機,內(nèi) 容,1.了解航空燃氣發(fā)動機的作用以及其要求 2.掌握航空燃氣渦輪發(fā)動機的分類、工作原理、特點以及其應(yīng)用（重難點） 3.了解航空燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展歷史以及其發(fā)展展望,1.1 引言,在中國： 風(fēng)箏(楚漢時期) 世界上目前公認最早的重于空氣的飛行器 孔明燈（五代時期） 世界上最早的、最原始的熱氣球，也是現(xiàn)代熱氣球的鼻祖 文學(xué)作品：西游記封神演義,1.1 引言,在西方： 達芬奇筆下的“撲翼機” 、天使、飛毯傳說、小說以及電影,1.1 引言,撲翼機,1.1 引言,

2、噴氣發(fā)動機早期設(shè)想,后果: 由于沒有后續(xù)的動力，一次次人類飛行失敗之后，飛行便轉(zhuǎn)向輕于空氣的航空器：氣球、飛艇、無動力的滑翔機。經(jīng)過長期的探索和不懈的追求，終于發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)飛上天有三種基本的途徑： 基于阿基米德浮力的原理。就是輕于空氣的飛行，包括熱氣球、包括氫氣、氦氣球，包括飛艇。 基于直接有升力的飛行。像火箭、垂直起落的飛機。 基于柏努利定律，以速度換取升力的飛行。這就需要動力，如固定翼飛機、直升機、旋翼機都包括在內(nèi)。,1.1 引言,1900年，德國人齊白林 1929年最豪華的“齊白林伯爵”號飛艇用21天5小時完成了環(huán)球飛行,1.1 引言,“齊白林伯爵”號飛艇,1763年瓦特改良了蒸汽機，推動了

3、工業(yè)革命的發(fā)展。但是由于蒸汽機太重，它沒有辦法裝到飛機上，所以一百四十年以后萊特兄弟才把飛機飛上天。 1810年英國科學(xué)家凱利發(fā)現(xiàn)了飛行原理。 1883年發(fā)明內(nèi)燃機 萊特兄弟經(jīng)過了改進，裝到第一架“飛行者1號”上，最后飛上了天空，完成一個偉大的創(chuàng)舉！ 第1次飛行時間約12秒，飛行距離約36米，其中一次持續(xù)飛行59秒，飛行距離達260米左右,1.1 引言,1.1 引言,飛行者1號,1.2 航空發(fā)動機作用、要求,1.2.1 定義 發(fā)動機是將燃料燃燒釋放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的裝置。動力裝置除了包括發(fā)動機本體及必需的工作系統(tǒng)（如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、 起動點火系統(tǒng)）外，還包括有防冰系統(tǒng)、反推系統(tǒng)、冷卻系

4、統(tǒng)和外殼體等。 1.2.2 作用 航空燃氣渦輪發(fā)動機是現(xiàn)代飛機與直升機的主要動力（少數(shù)輕型、小型飛機和直升機采用航空活塞式發(fā)動機），為飛機提供推進力，為直升機提供升力。,升力,推進力,1.2 航空發(fā)動機作用、要求,1.2.3 要求 發(fā)動機推力大、質(zhì)量小 發(fā)動機燃油消耗率低 發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸要小 可靠性要好，使用壽命要長 環(huán)境污染要?。ㄅ艢馕廴竞驮胍粑廴荆?不同用途的發(fā)動機，其要求的側(cè)重點也不同： 戰(zhàn)斗機發(fā)動機要求推力大、重量輕、加速性好； 對于旅客機，要求有低的耗油率,1.2 航空發(fā)動機作用、要求,1.3 航空發(fā)動機的分類,航空發(fā)動機,活塞式,噴氣式,沖壓式,渦輪式,渦輪噴氣式發(fā)動機,渦輪螺旋槳

5、發(fā)動機,渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,渦輪軸發(fā)動機,單轉(zhuǎn)子 (M53)、雙轉(zhuǎn)子、多轉(zhuǎn)子（RB119、RB211）,1.3 航空發(fā)動機的分類,幻影戰(zhàn)斗機,三轉(zhuǎn)子,雙轉(zhuǎn)子,1.3 航空發(fā)動機的分類,1.4 工作原理及其特點,活塞式發(fā)動機,1.4 工作原理及其特點,活塞式發(fā)動機工作原理,1.4 工作原理及其特點,1.4.1 組成 單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機是由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管五大部件組成。,渦輪噴氣發(fā)動機,1.4.2 燃氣渦輪噴氣發(fā)動機 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,渦輪噴氣發(fā)動機,1.4 航空燃氣渦輪發(fā)動機特點及其應(yīng)用,渦輪噴氣發(fā)動機工作情形圖,結(jié)合下圖： 功能,渦噴發(fā)動機是20世紀(jì)5

6、0、60年代應(yīng)用最為廣泛的航空燃氣渦輪發(fā)動機，當(dāng)時不僅是高速殲擊機的唯一動力，而且也為許多轟炸機、旅客機所采用。 國產(chǎn)的殲六、殲七、殲八等殲擊機上，均采用了帶加力燃燒室的渦噴發(fā)動機。,1.4 工作原理及其特點,加力渦輪噴氣發(fā)動機,主要特點： 適用于高速飛行；不需要受速度限制的螺旋槳作為推進器；帶加力燃燒室的渦噴發(fā)動機突破音速。 耗油率較高 由于渦噴發(fā)動機的推力是由高速排出高溫燃氣所獲得的，所以在得到推力的同時，有不少由燃料燃燒所獲得的能量以燃氣的動能和熱能的形式排出發(fā)動機，能量損失較大，因此耗油率較高。,1.4 工作原理及其特點,渦噴與活塞式加螺旋槳式比較 推力： 渦噴：隨著飛行速度增大而增加

7、 活塞式：取決于氣缸的數(shù)目和尺寸 工作過程連續(xù)性 經(jīng)濟性,1.4 工作原理及其特點,工作原理及其特點,渦噴、活塞式加螺旋槳發(fā)動機工作原理比較,1.5.2 渦輪螺旋槳發(fā)動機(簡稱渦漿發(fā)動機) 渦槳發(fā)動機是在渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上，吸取航空活塞式發(fā)動機的優(yōu)點發(fā)展而來的。20世紀(jì)50年代研制的旅客機、運輸機采用渦槳發(fā)動機較多，目前支線用的旅客機仍以渦槳發(fā)動機作為主要動力。 工作原理,1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,渦槳發(fā)動機,主要特點： 適用于低、中速飛行 由于渦槳發(fā)動機以直徑較大的螺旋槳作為推進器，飛行速度受到限制，M=0.50.7。 耗油率低 燃氣中的大部分能量（85%90%）在

8、動力渦輪中膨脹作功，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大部分拉力，剩下的很少能量（10%15%）在尾噴管中膨脹，產(chǎn)生一小部分推力。由于排氣能量損失小，推進效率高，所以耗油率低。,1.4 工作原理及其特點,1.4.3 渦輪軸發(fā)動機（簡稱渦軸發(fā)動機） 工作原理,1.4 工作原理及其特點,渦軸發(fā)動機,特點： 渦軸發(fā)動機是用于直升機上的，基本同于渦槳發(fā)動機，主要區(qū)別： 一是燃氣發(fā)生器排出的燃氣能量，幾乎全部在渦輪中膨脹作功，尾噴管排氣速度較低，幾乎不產(chǎn)生推力；二是輸出軸轉(zhuǎn)速較高。 渦軸發(fā)動機也可以作為非航空領(lǐng)域中的動力，如地面發(fā)電機、油泵、水泵等的動力，艦船用的動力等。,1.4 工作原理及其特點,1.4.4 渦輪風(fēng)扇

9、發(fā)動機（簡稱渦扇發(fā)動機） 工作原理,1.4 工作原理及其特點,渦扇發(fā)動機,1.4 工作原理及其特點,PW4000,1.4 工作原理及其特點,JT9D,渦扇發(fā)動機是在雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上，吸取渦槳發(fā)動機的優(yōu)點發(fā)展起來的。其性能介于渦噴發(fā)動機和渦槳發(fā)動機之間。 渦扇發(fā)動機是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。較大型民航機幾乎都采用渦扇發(fā)動機作為動力，帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動機則適合作高超音速（M2.3）作戰(zhàn)飛機的動力裝置。 主要特點: 耗油率低、起飛推力大、噪音低、迎風(fēng)面積大。 適用于較高的飛行速度，且在很廣的飛行速度范圍內(nèi)，都能滿足推力和經(jīng)濟性的要求。,1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,

10、1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,CFM56,B737、A320、A340-200/300,CFM公司是由法國斯奈克瑪發(fā)動機公司和通用電氣公司各出資一半成立的合資企業(yè),1.4 工作原理及其特點,級： 風(fēng)扇 3級低壓壓氣機(LPC) 9級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 單級高壓渦輪(HPT) 4級低壓渦輪(LPT),1.4 工作原理及其特點,JT9D,B747、767、A300、A310,1.4 工作原理及其特點,級： 風(fēng)扇 3級低壓壓氣機(LPC) 11級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 2級高壓渦輪(HPT) 4級低壓渦輪(LPT),PW2037,B757-200,級：

11、風(fēng)扇 4級低壓壓氣機(LPC) 12級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 2級高壓渦輪(HPT) 5級低壓渦輪(LPT),1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,PW4000,B747-400、B767-200/-300、MD-11、A300-600、A310-300,1.4 工作原理及其特點,級： 風(fēng)扇 4級低壓壓氣機(LPC) 11級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 2級高壓渦輪(HPT) 4級低壓渦輪(LPT),V2500,1.4 工作原理及其特點,A319, A320, A321、MD90,IAE是一家多國航空發(fā)動機合作公司，其股東公司有美、英、日、

12、意和德五國航空發(fā)動機公司。,級： 風(fēng)扇 4級低壓壓氣機(LPC) 10級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 2級高壓渦輪(HPT) 5級低壓渦輪(LPT),1.4 工作原理及其特點,1.4 工作原理及其特點,RB211-535E,B757-200,1.4 工作原理及其特點,級： 風(fēng)扇 6級中壓壓氣機(IPC) 6級高壓壓氣機(HPC),環(huán)形燃燒室 1級高壓渦輪(HPT) 1級中壓渦輪(IPT) 3級低壓渦輪(LPT),1.4 工作原理及其特點,遄達900,A380,1.4 工作原理及其特點,遄達900發(fā)動機 在目前8家已做出發(fā)動機選擇決定的航空運營商中，有5家選擇了遄達900發(fā)動機。 新加坡航空

13、公司 （10架確認訂單+15架意向訂單） 澳大利亞快達航空公司 （12架確認訂單） 英國維珍航空公司 （6架確認訂單+6架意向訂單） 德國漢莎航空公司 （15架確認訂單+10架意向訂單） 馬來西亞航空公司 （6架確認訂單） 共計：80架飛機（安裝320臺發(fā)動機） 市場占有率：50%（確認訂單和意向訂單之和）,1.4 工作原理及其特點,推力：70,000 76,500磅（適航證書認證推力達80,000磅） 總壓力比：37:1 39:1 旁通比：8.7:1 8.5:1 入口質(zhì)量流量：2,655 - 2,745磅/秒 風(fēng)扇直徑：116英寸 長度：179英寸 重量：14,190磅,級： 風(fēng)扇 8級中壓

14、壓氣機(IPC) 6級高壓壓氣機(HPC) 環(huán)形燃燒室 單級高壓渦輪(HPT) 單級中壓渦輪(IPT) 5級低壓渦輪(LPT),1.4 工作原理及其特點,CF6,A300, A310 、 A330、 B747, B767、DC-10 and MD-11,1.4 工作原理及其特點,GE90,B777,1.5 發(fā)展歷史回顧,航空發(fā)動機的百年歷史大致可分為兩個時期： 第一個時期從萊特兄弟的首次飛行開始到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束為止。在這個時期內(nèi)，活塞式發(fā)動機統(tǒng)治了40年左右 第二個時期從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今。60年來，航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導(dǎo)地位。,1.5.

15、1活塞式發(fā)動機時期 1914-1918 年的第一次世界大戰(zhàn)，使飛機很快地找到了自己最初的用武之地，戰(zhàn)爭成為了航空技術(shù)發(fā)展的原動力。一戰(zhàn)期間各國共生產(chǎn)飛機18 萬架。 一戰(zhàn)后，航空技術(shù)迅速轉(zhuǎn)為民用，1919 年8 月英法開通了定期空中客運。隨后的幾家航空公司組建了國際航空運輸協(xié)會（IATA）。真正意義的民用航空開始于1919 年。1919 年，是民用航空的元年。 一戰(zhàn)后到二戰(zhàn)前，是民用航空初創(chuàng)并發(fā)展的一段時間。,1.5 發(fā)展歷史回顧,第二次世界大戰(zhàn)（1939-1945）的開始中斷了民航的正常發(fā)展。 在兩次世界大戰(zhàn)中，以活塞式發(fā)動機+螺旋槳為動力的各種作戰(zhàn)飛機發(fā)揮了巨大作用，到二戰(zhàn)結(jié)束時，以螺旋槳

16、為動力的飛機的飛行速度最大達到了約每小時700公里。（R&R 梅林 PW 雙黃蜂）,1.5 發(fā)展歷史回顧,梅林,1.5 發(fā)展歷史回顧,1.5 發(fā)展歷史回顧,1.5.2 噴氣時代 1937年3月，德國亨克爾公司研制的噴氣發(fā)動機首次運轉(zhuǎn)。1939年8月27日，裝這種發(fā)動機的He-178飛機實現(xiàn)了世界上第一次噴氣動力飛行，航空事業(yè)從些開始跨入了噴氣時代。 1947年10月14日，X-1飛機首次成功地沖過了“音障”，實現(xiàn)了超音速飛行。 1976年，英法聯(lián)合研制的“協(xié)和”式超音速客機投入使用。 噴氣戰(zhàn)斗機動力大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。,1.5 發(fā)展歷史回顧,He178噴氣式飛機 WI型發(fā)動機,1.5 發(fā)展

17、歷史回顧,F-86戰(zhàn)斗機(J47),1.5 發(fā)展歷史回顧,米格-15戰(zhàn)斗機 (BK-1),斯貝“MK202加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,1.5 發(fā)展歷史回顧,F-4鬼怪式戰(zhàn)斗機,F-15,F110 加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,1.5 發(fā)展歷史回顧,F110加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機 （F-15、F-16）,F-15鷹式戰(zhàn)斗機,F404加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,1.5 發(fā)展歷史回顧,美國空軍用的F-16（1978年）、海軍用的F/A-18（1980年），歐洲的“狂風(fēng)” （1980年），前蘇聯(lián)的米格-29（1983年）、蘇-27（1984年）,美國的第四代戰(zhàn)斗/攻擊機F/A22,1.6 發(fā)展歷史回顧,F119-PW-10

18、0加力渦扇發(fā)動機,F-35（ F119 ）,1.5 發(fā)展歷史回顧,民用航空的動力也大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段：活塞式發(fā)動機第二階段：噴氣發(fā)動機,1949年出現(xiàn)了第一種用加力渦輪噴氣發(fā)動機“埃汶”為動力的民航客機彗星號，標(biāo)志著民用飛機噴氣發(fā)動機時代的到來。,1.5 發(fā)展歷史回顧,彗星號,第三階段：低涵道比(1.5-2.5)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機 60 年代初的低涵道比(1.5-2.5)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，耗油率為0.07-0.08 kg/（Nh），廣泛用于波音727、737，DC-9，“三叉戟”等飛機，逐步代替了耗油率高、經(jīng)濟性差的渦噴發(fā)動機.,1.5 發(fā)展歷史回顧,B727,B727,1.5 發(fā)展歷史回顧,B737,第四階段：大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機 1970 年1月22日，裝有4 臺涵道比為5.2、推力為193.1KN (19700kgf)的JT9D-3 型大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的大型遠程旅客機B747-100 投入航線使用，標(biāo)志著