发动机原理与安全性分析.pdf

航空发动机原理与安全性分析主讲：刘传凯北京航空航天大学交通科学与工程学院教学目的.掌握航空发动机整机及部件工作原理，性能指标；.掌握发动机部件共同工作和调节规律；.能够运用发动机各部件间共同工作关系进行初步的安全性分析；前修课要求.工程热力学、气体动力学（高速可压流部分）;参考书.教学ppt;.<航空燃气涡轮发动机>、尚义主编.<航空发动机原理>，廉筱纯，西北工业大学出版社..第一章绪论第一节基本工作原理和结构航空器如何获得推力.基本原理：牛顿定律；.要获得前的推力，需把“物体”向后推；陆地行驶靠推地水中航行靠推水在空气中飞行靠推空气.螺旋桨推进（发动机提供扭矩）.喷气推进（发动机产生高速气体）什么是喷气发动机？.一种通俗的定义：能排出大量高速气体的机器。.燃气发生器的两种基本类型：.非吸气式.吸气式航空燃气涡轮发动机的基本结构吸气压缩燃烧膨胀做功膨胀加速基本原理：第二节由活塞发动机向燃气涡轮发动机的演变航空发动机的发展历史问题：.为何现代高性能飞机均采用燃气涡轮发动机？装有活塞式发动机的飞机.上世纪40年代以前.只输出功率，不能直接产生推力或拉力.需采用空气螺旋桨活塞式发动机—风冷式.莱特兄弟的飞机动力：8.8kW.二战后期：2000kW以上活塞式发动机的发展瓶颈：.曲轴转二周，只有一个冲程(膨胀作功)作功；.发动机功率大体上与排量成正比；.功率级别决定了重量级别；活塞式发动机的发展瓶颈.限制飞机飞行速度的增加：•推进功率与飞行速度的三次方成正比–装有1000马力、重4吨的飞机（发动机0.5吨）–如果将速度由500km/h提高至1000km/h；–发动机功率需8000马力，发动机重量需4吨；•飞行速度增大，桨叶叶尖处的相对速度提高–超过声速后，损失大增，桨叶效率降低；.限制飞机飞行高度的增加：•高空状态，空气稀薄，发动机功率下降；–高空11公里以上，发动机功率不足地面状态的20%；涡轮喷气发动机.吸气、压缩、燃烧、排气，一气呵成！.同样的重量，更高的功率.有效利用冲压效果，实现高空、高速飞行。流水线作业手工作坊燃气涡轮发动机是当代飞机的主要动力功率大、重量轻用于宽体客机、歼击机、大中型直升飞机等活塞发动机仍然在小范围内使用：油耗低、结构简单、价格便宜低功率下（<200kW）仍有优势用于超轻型飞机、小型直升机、农用飞机等大型宽体客机发动机功率等于近1000辆轿车发动机功率每100马力功率所需的重量先进涡轮发动机产生单位功率所需重量不到民用汽车发动机的1/50以4800rpm旋转的风扇在1分钟的时间叶尖的移动距离约30km切向速度现代大涵道比涡扇发动机每秒可吸入1000公斤气体第三节军用航空燃气涡轮发动机的发展历史军用航空燃气涡轮发动机的发展.1928年，英国工程师设计出了一种利用叶轮压缩空气，喷气发动机，并于1932年获得了专利.1939年：首架装有涡轮喷气发动机的He-178飞机在德国试飞成功军用发动机的发展.40年代-----50年代末（第一代）.60年代-----70年代初（第二代）.70年代初---90年代末（第三代）.现在（第四代）第一代战斗机特点.最大飞行速度在亚、跨音速范围（Ma<1.3）；.主要机载武器为机关炮、火箭和炸弹；.使用涡轮喷气发动机(单轴)；.发动机推重比2~3；第一代战斗机动力装置典型结构示意纯涡轮喷气发动机尾喷管进气道燃烧室压气机涡轮第一代航空发动机离心式轴流式单轴发动机的技术瓶颈J477级轴流式增压比5WP69级轴流式增压比7.14J7917级轴流式增压比13.4J79几乎已经达到单转子发动机增压比的极限当多级轴流压气机转速下降时增压比=10实际所需转速降低面积面积增压比=5后面级实际流通面积小于实际流通面积多级轴流压气机在低转速时，前面级的气流难以从后面级流出第二代战斗机第二代战斗机特点.追求高空高速，最大速度达到甚至超过2倍音速；.装备了雷达和空空导弹；.以带加力的涡轮喷气发动机为动力（双轴）；.发动机推重比5左右。双转子发动机成为技术发展的必然问题：双转子有何优点？为何第二代发动机采用双子结构？50年代，普惠在率先提出超前的双转子技术，通过这一先进技术的公关，普惠成功以J57轴流涡喷发动机奠定了市场地位第二代战斗机动力装置典型结构示意双转子加力燃烧室低压涡轮进气道高压压气机高压涡轮尾喷管低压压气机燃烧室加力燃烧室第三代战斗机第三代战斗机特点.突出机动灵活性，不单纯追求高空高速性能；.采用了低油耗的涡轮风扇发动机；.涡轮前总温1650-1700K，增压比25左右低转速时，更多气体从外涵流过，进一步改善高、低压转子的不匹配问题第三代战斗机动力装置典型结构示意涡扇发动机混合排气尾喷管加力燃烧室进气道高压压气机高压