航空发动机发展综述

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。
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涡轮喷气发动机-(WP)
涡喷六（WP-6）发动机
用于
歼六 强五
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涡轮喷气发动机-(WP)
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涡轮
燃气在涡轮叶片中流动
48
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涡轮叶片
涡 轮 叶 片 散 热
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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
到40年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰
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活塞式发动机的优点
经济性较好：不但耗油率低，而且单位功 率的售价低； 燃烧较完全，所以对环境的污染相对较小 ；
噪音较小。 目前，活塞式航空发动机仍广泛地应用于 小型低速飞机。
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航空发动机发展综述
上海交通大学 陈勇 2016-7
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提纲
航空发动机的发展历史
活塞式
喷气式（涡轴、涡喷、涡桨、涡扇……）
航空发动机的主要结构 航空发动机推力的产生原理 影响推力的因素 航空发动机性能指标 典型军、民用涡扇发动机
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涡轮喷气发动机-(WP)
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涡轮风扇发动机-(WS)
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) 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)
涡轮轴发动机 （WZ）
T-700 涡轴发动机
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涡轮轴发动机 （WZ）
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涡轮轴发动机 （WZ）
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涡轮轴发动机 （WZ）
用于NH90直升机
喷气发动机与活塞式发动机对比
1)活塞式发动机只是热机，本身不能产生推力，只能从轴上输出功率带 动螺旋桨，由螺旋桨产生推力，所以螺旋桨称为推进器。涡轮喷气 发动机既是热机又是推进器； 2)在一定的飞行速度范围内，随着飞行速度的增加，涡轮喷气发动机产 生的推力增加，因为进入发动机的空气质量流量随着飞行速度的增 加而增加，因此涡轮喷气发动机适于高速飞行； 3)活塞式发动机工作时，只有一个行程对外作功；而燃气轮机工作时， 空气是连续不断地被吸入，作功是连续进行的，因而涡轮喷气发动 机有更大地功率输出； 4)活塞式发动机是往复机械，惯性力大，故转速不能太大；涡轮喷气发 动机是旋转机械，转速可以较高； 5)活塞式发动机的燃烧过程在封闭的空间中进行，燃烧过程中气体的压 力和温度急剧地上升，必须采用笨重的汽缸；涡喷发动机地燃烧过 程在开口的空间进行，燃烧过程基本上是等压的，燃烧室结构轻巧 ； 6)与活塞式发动机相比，涡喷发动机最大的缺点是经济性差。
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涡轮风扇发动机-(WS)
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
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燃气发生器（核心机）
燃气发生器由压气机、燃烧室和燃气涡轮 （简称涡轮）所组成。 燃气发生器用于提供高压、高温的燃气。 燃气发生器又称发动机的核心机。
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压气机
带有离心式流压气机的涡轮喷气发动机
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涡轮喷气发动机结构
进气道 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管 加力燃烧室（涡轮和尾喷管之间）
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涡轮喷气发动机-(WP)
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涡轮喷气发动机-(WP)
涡轮风扇发动机-(WS)
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涡轮风扇发动机的涵道比
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CFM56
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F-404发动机
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活塞式发动机时期
早期飞机动力源问题的解决过程
飞机动力源问题未解决导致屡次飞行失败
使用蒸气机作为动力源，质量过重
1810年，英国科学家凯利发现了飞行原理 1876年，德国工程师奥托试制成热效率高于蒸 汽机的四冲程煤气内燃机 人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源
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EJ200
用于欧洲战斗机EF-2000的EJ200涡轮风扇发动机
由图中可以看出，加力燃烧室的长度比风 扇、高压压气机、燃烧室、高/低压涡轮几个 部件加起来还要长一些
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涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
安－70超大型运输机
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涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
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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涡轮螺旋桨发动机 （WJ）
涡轮螺桨发动机结构简图
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进气道
作用、 结构、 工作特点
防止外物打伤；防冰
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辅助系统
起动系统
燃油系统
润滑系统
防冰系统
防火系统
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提纲
航空发动机的发展历史
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航空燃气涡轮发动机
航空燃气涡轮发动机有四种基本类型
涡轮喷气发动机
涡轮风扇发动机
涡轮螺桨发动机 涡轮轴发动机 地面燃气轮机（船、舰用燃气轮机）
这些发动机中都有压气机、燃烧室和燃气 涡轮，因此统称燃气涡轮发动机。
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活塞式发动机固有的缺陷
功率与重量的矛盾
发动机功率与飞行速度的三次方成正比
发动机功率的增加，将导致发动机重量迅速增 大（接近三次方关系）
螺旋桨的局限
接近音速时，导致螺旋桨工作不稳定，推进效 率急剧下降
“音障”的出现
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喷气推进原理
原理
牛顿第三定律 -- 作用力等于反作用力 喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气 ，燃烧后高速喷出。在此过程中，发动机向 气体施加力，使之向后加速，气体也给发动 机一个反作用力，推动飞机前进。
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发动机的推力
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。
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提纲
航空发动机的发展历史
活塞式
喷气式
航空发动机的主要结构 航空发动机推力的产生原理 影响推力的因素 航空发动机性能指标 典型军、民用涡扇发动机
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涡轮轴发动机 （WZ）
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地面用燃气轮机
油 田 灭 火 机
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地面用燃气轮机
野 外 发 电 机
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涡轮
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
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涡轮
燃气涡轮在高温高压燃 气的作用下高速旋转， 将燃气中的部分热能和 压力能转换成机械功， 带动压气机和附件工作 。航空燃气涡轮功率大 ，效率高，转速快，燃 气温度高，所以工作条 件十分恶劣。
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尾喷管
尾喷管内部：后燃器的火焰环
典型的扩散-收敛型喷管
SU-27 尾喷管
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国产涡喷-7发动机及剖视图
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加力燃烧室
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。
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
Βιβλιοθήκη Baidu
Boeing AH-64D Apache Longbow
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涡轮轴发动机 （WZ）
MTR390
慕尼黑涡轮联合公司/透博梅卡 /罗罗
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活塞式发动机
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螺旋桨型式
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活塞式发动机时期
活塞式发动机的发展
飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展
早期液冷式、气冷发动机
两次世界大战推动发动机的性能提高：
单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右 螺旋桨飞机的V从16km/h提高到近800 km/h 飞行高度达到15000 m
活塞式
喷气式
航空发动机的主要结构 航空发动机推力的产生原理 影响推力的因素 航空发动机性能指标 典型军、民用涡扇发动机
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航空发动机推力的产生原理
The earliest known example of jet reaction is that of Hero’s engine (fig. 1-4) produced as a toy in 120 B.C.
压气机的功用
依靠其高速旋转的工作 叶轮对空气作功，提高 空气的压力和温度，供 给发动机工作时所需要 的压缩空气。
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
带有轴流压气机的涡轮喷气发动机
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离心式压气机工作叶轮
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航空发动机的工作原理
航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种；从产生 、输出能量的原理上讲，燃气涡轮发动机和活塞 发动机是相同的。都需要有进气、压缩、燃烧和 排气这四个阶段。
核心机 压气机 燃烧室 燃气涡轮
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分类依据
在航空燃气涡轮发动机中，进入发动机的 空气经压气机压缩后，流入燃烧室与喷入 的燃油混合后燃烧，形成高温高压的燃气 ，在进入燃气涡轮中膨胀做功，使涡轮高 速旋转并输出功率。 由燃气涡轮出来的燃气，仍具有一定的能 量，正是这股具有能量的燃气，才产生了 发动机的推力或输出功率。利用这股燃气 能量的方式不同，就相应地产生了不同类 型的燃气涡轮发动机。
轴流压气机
压气机工作叶片
轴流压气机的转子和静子
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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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燃烧室
主要包括：喷嘴、涡流器、火焰筒等
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