发动机绪论

1民用航空发动机民用航空发动机民用航空发动机南京航空航天大学民航学院田勇2●课程的作用与任务了解航空发动机的发展和分类掌握航空发动机的基本结构组成掌握航空发动机的基本工作原理、特性了解航空发动机各主要工作系统的组成、工作原理课程教学大纲说明课程教学大纲说明3课程教学大纲说明课程教学大纲说明航空燃气涡轮发动机首选教材空管、签派适用专业2学分32学时总学时数5开课学期专业选修课课程性质民航学院归属单位4●本课程与其它课程的联系主要先修课程：气体动力学、工程热力学主要后续课程：专业英语、空中交通管理基础、程序设计。。。。。课程教学大纲说明课程教学大纲说明5●考核方法考试课闭卷、笔试平时成绩30分、卷面成绩70分课程教学大纲说明课程教学大纲说明6课堂要求课堂要求●课堂纪律不准迟到旷课3次及以上取消考试资格上课期间保持安静等7●地面靠推地推进技术推进技术8●水里靠推水推进技术推进技术9●水中推进用●的螺旋桨●水里靠推水推进技术推进技术10（1）螺旋桨推进（2）喷气推进（又称吸气推进）（两种方式）推进技术推进技术11●太空什么都没有●靠喷推进剂推进技术推进技术12●还要利用万有引力推进技术推进技术13（1）螺旋桨推进（2）喷气推进（又称吸气推进）推进技术推进技术14图中所示连续不断进行进气和排气过程的位置被称为飞机的短舱，短舱里有一个装置可以使排气速度大于进气速度。每秒钟吸进和排出的气体达数百斤以上，比一个成年人体重还要多！推进技术推进技术15飞机通过连续不断的吸气和排气，并使排气的速度大于吸气的速度这一过程来获得向前飞行的动力。但是飞机是依靠什么实现并维持这一过程的呢？推进技术推进技术16这就是------航空发动机推进技术推进技术17发动机的在飞机上的安装------A380推进技术推进技术18航空发动机（aero-engine），是为航空器提供推动力或支持力的装置，是航空器的心脏。自从飞机问世以来的几十年中，发动机得到了迅速的发展，从早期的低速飞机上使用的活塞式发动机，到可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机，航空发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同的大家族。从发展历程来说，航空发动机经历了两个显著的发展时期，即：活塞式发动机时期和燃气涡轮发动机时期。航空发动机航空发动机19绪绪论论●常见发动机分类二行程四行程吸气式增压式涡轮式（有压气机）活塞式冲压式（无压气机）喷气式固体燃料液体燃料火箭发动机航空发动机直列式对列式星型涡喷涡扇涡轴涡桨冲压式脉动冲压式20人类的飞天之梦人类的飞天之梦●两千多年前的风筝世界上目前公认最早的重于空气的飞行器它是如何飞起来的●一千多年以前的“孔明灯”世界上最早的、最原始的热气球现代热气球的鼻祖21图1嫦娥奔月图2舜帝的斗笠图3达·芬奇笔下的扑翼机●事实证明：依靠人力飞行是不可能的人类的飞天之梦人类的飞天之梦22气球、飞艇、无动力的滑翔机气球、飞艇、无动力的滑翔机●飞上天有三种基本的途径：基于阿基米德浮力的原理●热气球、包括氢气、氦气球，包括飞艇基于直接有升力的飞行●火箭、垂直起落的飞机基于柏努利定律，以速度获得升力的飞行●固定翼飞机、直升机、旋翼机23航空发动机发展历史航空发动机发展历史●航空发动机百年历史可分为两个时期：第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止●活塞式发动机统治了40年左右第二个时期从第二次世界大战结束至今●60年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机●航空燃气涡轮发动机开创了喷气时代，居航空动力的主导地位24活塞式发动机时期活塞式发动机时期●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25●人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气飞行器的飞行●航空发动机从狭义上是航空器飞行的动力，从广义上它也是航空事业发展的推动力活塞式发动机时期活塞式发动机时期26活塞式发动机时期活塞式发动机时期●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10kW增加到2500kW左右●螺旋桨飞机的速度从16km/h提高到近800km/h●飞行高度达到15000m到40年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰单台发动机功率从12马力增加到3800马力（2800千瓦），功重比从0.15马力/千克发展到2.5马力/千克，巡航耗油率从0.34－0.35千克/（马力-小时），降低到0.19－0.20千克/（马力-小时），寿命从数小时发展到上千小时，年产量达数十万台，装备了上百万架飞机，单从数量上看，没有一种航空发动机比得上活塞发动机的生产数量。27活塞式发动机时期活塞式发动机时期●活塞式发动机的发展逐步退出主要航空领域，广泛应用在轻型低速飞机和直升机上。气冷发动机发展迅速，发动机的性能提高很快，达到其发展的顶峰。液冷发动机居主导地位早期两次世界大战期间喷气时代28航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机29●活塞式发动机发展史到了上世纪40年代末，活塞式发动机达到了发展的顶峰，单台发动机功率从12马力增加到3800马力（2800千瓦），功重比从0.15马力/千克发展到2.5马力/千克，巡航耗油率从0.34－0.35千克/（马力-小时），降低到0.19－0.20千克/（马力-小时），寿命从数小时发展到上千小时，年产量达数十万台，装备了上百万架飞机，单从数量上看，没有一种航空发动机比得上活塞发动机的生产数量。活塞式发动机时期活塞式发动机时期30航空活塞发动机属于内燃机航空活塞发动机属于内燃机●按所用燃油分类汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。活塞式发动机活塞式发动机31●按行程分类航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机32●活塞式发动机的结构和工作原理活塞式发动机活塞式发动机33●按冷却方式分类航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机34●按气缸数目分类航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机35●按气缸排列方式分类航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机36活塞式发动机活塞式发动机37●按进气系统是否采用增压方式分类航空活塞发动机活塞式发动机活塞式发动机38活塞式航空发动机的发展活塞式航空发动机的发展活塞式航空发动机发展早期，法国处于领先地位。当时装备伊斯潘诺-西扎V型液冷发动机的斯佩德战斗机的功率已达130~220kW,功重比为0.7kW/daN左右。飞机速度超过200km/h，升限6650m。在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10kW增加到2500kW左右，功率重量比从0.11kW/daN提高到1.5kW/daN左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约0.50kg/(kW·h)降低到0.23~0.27kg/(kW·h)。翻修寿命从几十小时延长到2000~3000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/h提高到近800km/h，飞行高度达到15000m。涡轮喷气发动机的发明开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于370kW的水平对缸活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。39活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例R-2800——普·惠公司生产的双排双黄蜂，属于气冷星型发动机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位。40活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例P-47，绰号“雷电”，装备R-2800发动机，是美国共和飞机公司研制的战斗机。该种机型产量达到15683架，是美国战斗机史上生产量最大的飞机之一。41活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例R-3350，莱特公司生产的双排气冷星型发动机，1941年投入使用，开始时功率为2088kW，主要用于著名的B-29空中堡垒战略轰炸机。42活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例B-29战略轰炸机，装备莱特公司的R-3350发动机。世称“超级空中堡垒”“史上最强的轰炸机”，在轰炸东京等二战及之后的战场都可以看到他的身影，广岛和长崎的两次原子弹袭击，B-29也是空中平台。43由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于370kW的水平对缸活塞式发动机发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。美国NASA已经实施了一项通用航空推进计划，为未来安全舒适、操作简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。方案是用狄塞尔循环活塞式发动机，用它的飞机有4个座位，速度偏低。对发动机的要求为：功率为150kW；耗油率0.22kg/(kW·h)；满足未来的排放要求；制造和维修成本降低一半。到2000年，该计划已经进行了500h以上的发动机地面试验，功率达到130kW，耗油率0.23kg/(kW·h)。喷气时代的活塞式发动机喷气时代的活塞式发动机44活塞式发动机时期活塞式发动机时期●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45●涡轮喷气式发动机绪绪论论461、两种日常生活中与空气有关的机械装置（1）风扇利用其它形式的能量使空气流动(将它后面的空气吸到前面),风扇转的越快，吸来的空气越多，提供的空气流量越大。绪绪论论471、两种日常生活中与空气有关的机械装置（2）风车从空气的流动中吸收能量，空气从它的前面流动到后边，推动风车转动。绪绪论论482、物理现象----燃烧，燃烧使空气温度升高，增加了空气的能量，燃烧越剧烈，空气能量增加越多。绪绪论论49绪绪论论50●战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机：美国通用电气公司的J47轴流式涡喷发动机苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机推力2650daN左右，推重比为2～3它们分别在装在F-86和米格-15战斗机上服役。这两种飞机在朝鲜战争期间展开了你死我活的空战涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机51涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机●1939年8月27日率先装在亨克尔公司的He-178飞机上试飞成功这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机开创了喷气推进时代和航空事业的新纪元●世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫-0041942年7月18日德国工程师把He－S3B装在梅塞施米特Me-262飞机上试飞成功1944.9－1945.5，Me-262共击落盟军飞机613架，自己损失200架（包括非战斗损失）52●目前，推重比10涡扇发动机投入服役美国F-22/F119、西欧EFA2000/EJ200和法国的“阵风”/M88F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征--超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F136于2010年投入服役。军用涡扇发动机军用涡扇发动机53涡扇发动机涡扇发动机●涡扇发动机的发展来自于民用发动机1959年定型的英国康维●世界上第一台涡扇发动机●涵道比有0.3和0.6，推力为5730daN●耗油率比同时期的涡喷发动机低10%～20%●用于VC-10、DC-8和波音707客机●涡扇发动机两个发展方向低涵道比的军用加力发动机高涵道比的民用发动机54●50年代末至60年代初，各国研制了M2飞机的一批涡喷发动机如J79、J75、埃汶、奥林帕斯、阿塔9C、R-11和R-13推重比已达5