航空發(fā)動機(jī)新技術(shù)第一章第一節(jié)課件

第一章航空發(fā)動機(jī)的作用和發(fā)展第一節(jié)航發(fā)的作用、效益和特點1，航發(fā)性能發(fā)展特點及其趨勢①推重比從2~8~11②燃油消耗率③飛機(jī)推重比從0.4提高到1.2，提高了飛機(jī)的機(jī)動性和短距離起降的能力④最大馬赫數(shù)從最初的亞聲速發(fā)展到跨聲速，到目前廣泛的M2，甚至M4~6⑤旋轉(zhuǎn)噴口和升力發(fā)動機(jī)技術(shù)成全了垂直起降的飛機(jī)⑥矢量噴口技術(shù)，使得飛機(jī)具備超強(qiáng)的機(jī)動性⑦反推力裝置有效減少了機(jī)場跑道長度飛機(jī)推力矢量技術(shù)是通過改變發(fā)動機(jī)排氣方向為飛機(jī)提供更強(qiáng)的轉(zhuǎn)向力矩的技術(shù)。飛機(jī)推力矢量技術(shù)的應(yīng)用能賦予戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動性、短距起降和低的可探測性，極大地提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)有效性和生存能力。美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家都將其作為重要技術(shù)優(yōu)先發(fā)展。在飛機(jī)推力矢量技術(shù)的研究中，改變發(fā)動機(jī)排氣方向，即推力矢量噴管的研究是關(guān)鍵且具決定意義的一環(huán)。軸對稱矢量噴管(AVEN)是在常規(guī)機(jī)械式收擴(kuò)噴管上發(fā)展出來的一種推力矢量噴管，通過噴管擴(kuò)散段的偏轉(zhuǎn)改變發(fā)動機(jī)排氣方向。就整個飛機(jī)推力矢量技術(shù)來講書P100最具代表性的F119組成：3級風(fēng)扇、6級壓氣機(jī)、環(huán)型燃燒室、單級高低壓渦輪，加力燃燒室和二元推力矢量噴管構(gòu)成特點：結(jié)構(gòu)簡單可靠、耐久性高、可靠性和保障性好等特點。作為第四代發(fā)動機(jī)，與第三代相比，在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上有如下變化：發(fā)動機(jī)的涵道比較小，為0.2~0.4；總增壓比提高，為26~35；渦輪前燃?xì)鉁囟葹?850K~2000K，3級風(fēng)扇的增壓比也有所增加，達(dá)到4左右；推重比明顯增大，為9~12，耗油率降低8%~10%，可靠性增加了一倍，耐久性提高兩倍。第四代發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點：①風(fēng)扇為2~3級，高壓壓氣機(jī)為5~6級。②燃燒室為多為短環(huán)型燃燒室；③高壓渦輪均為單級；低壓渦輪為1~2級；④加力燃燒室均為短加力燃燒室；⑤噴管采用多種形式，如采用二元推力矢量噴管，軸對稱收斂擴(kuò)散噴管，二元收斂擴(kuò)散噴管第四代發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)特點：①采用復(fù)合材料的風(fēng)扇機(jī)匣，風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片采用三維起動設(shè)計②整體葉盤，空心葉片，阻燃鈦合金壓氣機(jī)葉片③燃燒室三維數(shù)值計算和雙旋流的空氣霧化噴嘴，帶旋流的混合噴嘴，浮動壁火焰筒，多孔冷卻火焰筒④對轉(zhuǎn)渦輪，多孔層板渦輪葉片，徑向加力燃燒室，推力矢量噴管，陶瓷復(fù)合材料噴管調(diào)節(jié)片，提高了渦輪前燃?xì)鉁囟群涂缏曀賶簹鈾C(jī)、渦輪的效率，降低了涵道比。噴氣發(fā)動機(jī)火箭發(fā)動機(jī)空氣噴氣發(fā)動機(jī)固體火箭發(fā)動機(jī)液體火箭原子火箭無壓氣機(jī)有壓氣機(jī)沖壓脈沖渦噴渦扇渦軸渦槳軸流式渦噴離心式渦噴組合發(fā)動機(jī)沖壓+渦噴=組合組合通過核心機(jī)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)鉁u扇發(fā)動機(jī)按排氣方式不同分類：①分開排氣式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)②混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)按風(fēng)扇安裝位置、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)目不同分類：①前風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（主力，如混排加力渦扇發(fā)動機(jī)）②后風(fēng)扇發(fā)動機(jī)③高位風(fēng)扇發(fā)動機(jī)按轉(zhuǎn)子數(shù)目分（略）此外還有特殊形式的渦扇發(fā)動機(jī)，如供短距起降的多涵道渦扇發(fā)動機(jī)。軍用渦扇一般為：帶復(fù)燃加力燃燒室的混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，簡稱：混排式加力渦扇發(fā)動機(jī)。基本的工作原理（從工熱效率、推進(jìn)效率衡量）粗講P、T、c在來流（遠(yuǎn)前方）、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、加力和尾噴管的變化情況。推力產(chǎn)生原因：產(chǎn)生推力的原因是燃料在燃燒室內(nèi)部燃燒，向氣體加入了熱量，這些熱量經(jīng)過熱力循環(huán)，以產(chǎn)生推力的方式轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。渦扇的P、T、C變化圖渦噴的P、T、C變化圖3，發(fā)動機(jī)效率發(fā)動機(jī)工作時，消耗的燃料所產(chǎn)生的熱量不可能全部轉(zhuǎn)換為推動飛機(jī)前進(jìn)的推進(jìn)功，飛機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的有效程度可用三種有效效率表示，有效效率（熱效率），推進(jìn)效率和總效率：顯然，總效率等于推進(jìn)效率乘以有效效率（熱效率），即：1）渦扇發(fā)動機(jī)①有效效率，按公式，可用功就是發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的全部有效功，消耗的燃料能是耗油量和燃油的低熱值Hf的乘積②推進(jìn)效率當(dāng)C9=V時，此時效率為1，發(fā)動機(jī)推力為0；而當(dāng)V=0時，效率為0。因此，只要推力不為0，效率總是小于1的，即燃?xì)獾臍鈩釉隽坎豢赡苋哭D(zhuǎn)換為推進(jìn)功。2）渦噴發(fā)動機(jī)①熱效率同前②推進(jìn)效率渦噴發(fā)動機(jī)大于渦扇發(fā)動機(jī)，尤其在亞音速飛行時，所以渦扇推進(jìn)效率比渦噴高。亞音速時，=1.5~1.8，此時渦扇效率介于0.7~0.8之間，高空加力超聲速時，=2.2~2.4，效率為0.6；地空跨聲速飛行，加力工作狀態(tài)下，=3.0~3.2，此時效率為0.5③總效率所以總效率反應(yīng)了發(fā)動機(jī)作為熱機(jī)和推進(jìn)器的完善程度，它表明消耗的燃料能中有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)功，通常=0.2~0.353）渦槳①有效效率（熱效率）由此可見：渦槳發(fā)動機(jī)有效效率與單位燃料消耗率和燃料的低熱值成反比。②推進(jìn)效率由此可見：推進(jìn)效率即為螺旋槳的效率。在螺旋槳飛機(jī)中，主要推進(jìn)器是螺旋槳，所以其推進(jìn)效率可由螺旋槳效率來表示。③總效率即螺旋槳的總效率等于有效效率和螺旋槳效率的乘積。螺旋槳效率和渦噴推進(jìn)效率隨飛行速度的變化性能指標(biāo)推力指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)使用性指標(biāo)①推力與單位推力②推重比③迎面推力（單位截面上的最大推力）①耗油量②耗油率工作可靠起動迅速加速性好壽命長，易于維護(hù)單位推力：單位：目前燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在地面最大狀態(tài)工作時，可見飛機(jī)速度變化時只能以作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)2，航機(jī)在國防和國民經(jīng)濟(jì)中的作用①優(yōu)秀的航發(fā)技術(shù)可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)②航發(fā)銷售額可觀，占航空工業(yè)總產(chǎn)值的20~30%③航機(jī)他用：1>燃機(jī)發(fā)電2>潛艇船舶動力3>坦克動力3.航發(fā)研究和發(fā)展特點①研制周期長②費用高③難度高第二節(jié)世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展分析1，戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展（簡述）從美國第三代為代表的F100,到第四代F119，從推重比為8，上升到11.2，預(yù)計到未來推重比15~20表1-1列出了現(xiàn)役發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)和用途F110F135美國空軍對第四代戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)的要求：①具有超音速巡航能力，不加力馬赫數(shù)為1.5~1.6②為飛機(jī)提供短距離起降和非常規(guī)機(jī)動能力③具有隱身能力，發(fā)動機(jī)的紅外輻射和雷達(dá)散射信號要盡可能的小④發(fā)動機(jī)加力推重比提高20%⑤零部件數(shù)量減少40~60%，可靠性提高一倍，耐久性提高2倍⑥壽命期費用降低25~30%表1-2列出了第四代戰(zhàn)斗發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)和用途3，21世紀(jì)的戰(zhàn)斗發(fā)動機(jī)（1）推重比為15~20的發(fā)動機(jī)方案（2）超聲速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)裝置（1）提高發(fā)動機(jī)推重比推重比為15~20發(fā)動機(jī)與F100發(fā)動機(jī)相比，具有以下先進(jìn)特點：①風(fēng)扇由3級減少為1級，并且采用先進(jìn)氣動設(shè)計，且為空心結(jié)構(gòu)②壓氣機(jī)由9級減為3級，轉(zhuǎn)子為鼓筒式結(jié)構(gòu)，采用金屬基復(fù)合材料，重量比原來相比減少70%（或級間冷卻）③火焰筒材料為陶瓷基復(fù)合材料，大大提高出口溫度和其均勻分布④高、低壓渦輪均為單級，采用陶瓷基復(fù)合材料，重量比金屬材料減少30%，T3溫度可以高達(dá)2200K及以上⑤綜合以上條件，在結(jié)構(gòu)上大大減少了風(fēng)扇和壓氣機(jī)數(shù)量，采用了先進(jìn)的復(fù)合材料，在重量上減輕了很多，推重比大大提高，因此新的發(fā)動機(jī)很可能不采用加力。⑥尾噴管采用全方位矢量噴口（2）超聲速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)動力裝置①目前只有兩種亞聲速垂直起降飛機(jī)，英國鷂式，前蘇聯(lián)的雅克-38②原理：燃?xì)馔ㄟ^可轉(zhuǎn)向的噴管噴出和采用升力風(fēng)扇。4，運輸機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展分軍用民用兩類，軍用為渦槳，民用為渦扇，特點均為亞聲速，耗油率低（1）2萬daN以上的發(fā)動機(jī)一般用于250以上座級客機(jī)表1-3列出了三種90年代大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)采用共同技術(shù)參數(shù)：①采用高涵道比，高總增壓比和較高渦輪前溫度②重量輕的無凸臺風(fēng)扇葉片設(shè)計，采用復(fù)合材料③高效的三維葉輪機(jī)氣動設(shè)計④低污染燃燒室⑤長壽命零件②10000~20000daN的發(fā)動機(jī)1>一般用于150~250座級客機(jī)2>主要代表：RR公司和PH公司的RB211-535和PW2000，用于波音7573>表1-4列出了現(xiàn)役的CFM56和V2500發(fā)動機(jī)的參數(shù)③＜10000daN的發(fā)動機(jī)①用于小型客機(jī)或100~130座級的客機(jī)②代表：BR175、CFM56、PW6000③參數(shù)見表1-55，21世紀(jì)運輸機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢（1）亞聲速發(fā)動機(jī)①采用超大涵道比，目的：提高推進(jìn)效率和耗油率②高循環(huán)參數(shù)核心機(jī)，目的：提高熱效率發(fā)展：05年投入發(fā)動機(jī)比90年代耗油降低15%~20%，飛機(jī)使用經(jīng)濟(jì)成本降低8~10%，到2015年投入發(fā)動機(jī)耗油預(yù)計降低30%，預(yù)計飛機(jī)成本提高12~15%，表1—6發(fā)展趨勢（2）超聲速和高超聲速的發(fā)動機(jī)①特點：價格、高油耗、噪聲和污染物排放②機(jī)種：渦扇，組合發(fā)動機(jī)（渦輪和沖壓）和沖壓發(fā)動機(jī)③研制中的渦扇發(fā)動機(jī)可以達(dá)到M=56，直升機(jī)的發(fā)展(1)現(xiàn)役渦軸發(fā)動機(jī)（第四代）第三代為20世紀(jì)70年代末和80年代初投入使用。詳細(xì)參數(shù)見1-8（2）研制中的渦軸發(fā)動機(jī)第四代渦軸發(fā)動機(jī)主要為美國的T500，已定型且用于阿帕奇直升機(jī)上，此類發(fā)動機(jī)特點

①采用整體粒子分離器，提高防砂能力②壓氣機(jī)為雙級離心式，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性好，便于維修并且耐腐蝕和抗外物能力強(qiáng)③采用回流型燃燒室和氣動霧化噴嘴④裝備先進(jìn)數(shù)字電控系統(tǒng)（3）21世紀(jì)直升機(jī)動力發(fā)展趨勢發(fā)展方向：①提高發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)和部件效率②發(fā)展高速旋翼推進(jìn)技術(shù)詳細(xì)發(fā)展趨勢見1-9較高的增壓比和渦輪前燃?xì)鉁囟葍?nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)特點：①要提高總增壓比，即采用混合壓氣機(jī)，即軸流式加離心式②提高渦輪前燃?xì)鉁囟龋捎脧较騼?nèi)流式冷卻渦輪外部結(jié)構(gòu)（提高速度）①采用變直徑旋翼或可變輸出轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)②折疊式