航空发动机--唐苇羽 - 图文

航空发动机

一、 航空发动机概述

发动机是动力装置的主要组成部分。航空发动机是将燃料的热能或其他形式的能转变为机械能，为飞机或其他航空器提供飞行所需动力的装置。航空发动机的性能是决定航空器性能的主要因素之—。飞机的飞行速度、飞行高度、航程、载重量和机动作战能力的提高，在很大程度上取决于发动机的改进和发展。现代航空发动机具有推重比大，迎风面积小，起动、加速快，适应机动飞行，使用维修简便，工作可靠等优点。航空发动机是飞机的心脏，是飞机性能的决定因素之一。其主要功用是提供飞机运动所需的动力一—“推力”或“拉力”，用以克服飞机的惯性和空气阻力。

从飞机问世以来的几十年中，发动机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，还有运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机等，如今航天发动机已经发展成一个成员数目众多的大家族。

飞行器发动机常见的分类原则有两种：按空气是否参加发动机工作和发动机产生推

进动力的原理。按发动机是否须空气参加工作，飞行器发动机可分为两类，即吸气式发动机和火箭喷气发动机。

吸空气发动机简称

吸气式发动机，它必须吸进空气作为燃料的氧化剂（助燃剂），所以不能到稠密大气层之外的空间工作，

只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同，吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。现有的飞机基本都是采用吸气式发动机。

燃气涡轮发动机简称涡轮发动机是现代飞机和直升机的主要发动机。这类发动机空

气的压力提高，除了通过冲压作用外，主要依靠专门的增压部件---压气机来实现，由于都拥有核心部件---燃气发生器（压气机、燃烧室、涡轮），故统称为燃气涡轮发动机。-有涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺旋桨式和涡轮轴式。空气喷气发动机分为有压缩器式和无压缩器式两类。现代飞机应用的涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机属于燃气涡轮发动机。

涡轮喷气

发动机简称“涡喷发动机”。它主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管组成（结构如图）。它是利用流过涡轮的燃气推动涡轮旋转，以带动压缩器的空气喷气发动机。它是喷气式航空发动机中出现最早，应

用最广的一种类型。发动机工作时，从进气道吸入的空气经压缩后，进入燃烧室与燃料航空煤油混合燃烧，生成高温燃气，驱动涡轮高速旋转，带动压缩器和有关附件连续工作，从涡轮排出的燃气在喷管中膨胀加速，产生反作用推力并直接作用于发动机机匣上，使发动机及与其连接的飞行器向喷气相反的方向移动。它

涡轮风扇发动机简称“涡扇发动机”，亦称内外涵喷气发动机，“双路式喷气发机”。其中外涵和内涵空气流量比为涵道比，用B表示。发动机的内路与涡轮喷气发动机完全相同；外涵中有风扇，由涡轮驱动，它使外涵空气受压缩后加速向后喷出，而产生部分推力。

涡扇发动机的性能随着涵道比的不同差异很大。其中，

高涵道涡扇（B=4~10）适宜作高亚音速大、中型民航客机、运输机的动力装置；低涵道涡扇（B=0.2~0.6）适宜作超音速飞机的动力装置。为了进一步降低高亚音速民航机的运行成本，需进一步提高涡扇发动机的涵道比，提高发动机的经济性。 涡轮螺旋桨发动机，如图所示。这种发动机与涡喷发动机的差异之处在于涡轮轴除了带动压气机外，还需通过减速器带动螺旋桨。发动机工作时，主要由螺旋桨产生拉力；此外，喷气的反作用可产生少量的推力。

涡轮轴发动机，如图所示。这种发动机几乎和涡桨发动机没有多大区别，涡轮分为压气机涡轮和自由涡轮；压气机涡轮带动压气机，自由涡轮通过减速器带动外界负载，发动机工作时，由自由涡轮输出功率。此外排气装置产生的喷气反作用力几乎可以忽略不计。

二、 燃气涡轮动力装置的基本组成及工作

燃气涡轮发动机是一种产生推力的动力装置。组成动力装置的各部件，以及保证工 作的各系统，都是直接或间接地为了产生推力而设置。以单轴涡喷式发动机为例。 发动机的主要部件：进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管，如图。 进气道用来引导足够数量的空气顺利进入发动机，在飞行中还可通过冲压作用提高气体压力。

压气机用来提高气体的压力，它通过高速旋转的叶轮，对进入压气机的气体做功，到达增压目的。根据气流在压气机中的流动方向，可将压气机分为两类：气流离开叶轮中心方向流动的叫做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的是轴流式压气机，此外还有混合式压气机。目前最广泛使用的是轴流式压气机。轴流式压气机的基本组成由静子和转自组成，如图。静子由多排叶片组成，这些叶片叫做整流叶片，又一排整流叶片组成的圆环叫做整流环，各整流环固定在机匣上。转子由多排叶轮组成，每一排叶轮上固定了许多工作叶片，压气机叶轮最终通过叶轮轴与涡轮的工作叶轮轴相连，并由涡轮带动高速旋转。

燃烧室是用来组织燃油和空气混合、燃烧，释放化学能，不断给气体加热，以提高气体温度。

涡轮用来带动压气机转动，涡轮在燃烧室的出口，在高温、高压燃气作用下而旋转，并将燃气热能转换为涡轮机械功。由于涡轮和压气机同轴连接，涡轮旋转时，即带动压气机高速转动。

喷管用来使高温、高压燃气膨胀，将部分热能转化为气体的动能，最后高速喷出。 发动机的工作系统是确保发动机正常工作的有机组成部分，主要有：燃油系统、滑油系统、防冰系统、防火系统和启动系统等。

发动机工作时空气首先由进气道进入压气机，经压气机叶轮做功，气体压力大大提高，随即进入燃烧室，与喷嘴喷出的燃油混合，并进行连续不断的燃烧，释放化学能，使气体温度大大提高。燃烧后形成的气体流入涡轮并膨胀，涡轮在高温高压气体推动下而旋转，从而带动压气机旋转。燃气经涡轮最后进入喷管，继续膨胀，并将部分热能转换为动能，从喷口高速喷出，通过气体对发动机的反作用力，而产生推力。发动机在工作过程中会有以下特征截面：进气道出口截面（压气机进口）截面，压气机出口（燃烧室进口）截面，燃烧室出口（涡轮进口）截面，涡轮出口（喷管进口）截面，喷管出口截面。而对于双转自发动机，还有低压压气机出口（高压压气机进口）截面，高压涡轮出口（低压涡轮进口）截面。 涡喷式发动机的理想循环采用布莱顿循环，由四个热力过程（绝热压缩过程、等压加热过程、绝热膨胀过程、等压放热过程）组成。发动机的实际工作工程十分复杂，如压缩、膨胀过程并非严格的绝热过程，存在流动损失、散热损失；燃烧过程也并非严格的等压加热，实际加热过程是通过组织燃油与空气燃烧，释放化学能而实现的，存在流动损失、热阻损失和不完全燃烧损失。所有这些损失最终都会使气体膨胀能力降低，气体在发动机中德动能增量减小，所以，实际发动机的热效率更低。

三、航空发动机转子系统

航空发动机转子系统的结构包括：转子结构、转子支承方案与转子支承结构等三部分。转子是发动机的重要部件，其结构设计很大程度上影响发动机的重量、可靠性和振动特性等。在上个世纪六十年代研制的斯贝发动机中那种复杂的转子结构和支承方案的布局，在现今的发动机中已见不到了，取而代之的是简单、紧凑的焊接转子结构与支点数目较少的支承方案。

1. 转子结构转子可分为三种基本结构形式：鼓式、盘式和混合式。

鼓式转子：鼓式转子的基本构件是一圆柱形或圆锥形鼓筒，借安装边和螺栓等与前后轴颈连成一体。鼓筒外表面加工有环向或纵向燕尾形槽，用来安装工作叶片。图示为一种涡扇式发动机的低压压气机转子，是典型的鼓式转子结构。鼓筒分为前后两段，每段又

由三段通过氩弧焊对接焊成。前段带有前轴颈，后段带有后轴颈。前后两段用24个精密螺栓连接，其中3个是圆柱形螺栓，起装配定心作用，其余为锥形螺栓，工作时定心传扭。

盘式转子：盘式转子由一组轮盘和中心轴组成，扭矩通过盘轴传递。与鼓式转子相比，盘式转子强度好；主要缺点是抗弯刚性差，并容易产生振动。

混合式转子：混合式转子由盘、鼓筒和轴等部件组成。鼓筒和轮盘做成一体或者单独制成。扭矩由轴、盘或轴、鼓、盘逐级传递。混合式转子兼有鼓式转子抗弯刚性好久盘式转子强度好的优点。如图为某发动机的核心机转子结构图，是一典型的混合式转子。该转子压气机部分共九级，由一级涡轮带动，压气机与涡轮通过鼓筒轴用短螺栓连接。压气机的第三级盘处与前轴颈连接，后轴与压气机后封严*齿盘相连接。这几处的连接均采用带自锁螺母的短螺栓。压气机后与涡轮盘前均设有*齿封压盘。压气机的前两级钛合金盘焊成一体，4~9级镍基合金盘焊成一体，焊接方式均采用摩擦焊。该转子的两处*齿环均带有盘，这是由于该转子的转速较高，其产生的离心符合较大。*齿盘的结构在现代高转速发动机的核心机转子上被广泛采用。 2. 单转子发动机

单转子发动机因其构造的特点，决定了在工作性能上具有如下特点：1、小转速状态工作时，涡轮前温度较高；中转速工作时，涡轮前温度较低。由于在小转速状态工作时，发动机工作状态偏离发动机设计状态较远，压气机效率，涡轮机效率、涡轮落压比都较小，所以必须维持较高的涡轮前温度，才能确保所需的涡轮功率。 发动机在小转速状态工作的稳定性差，压气机增压比较低。3.发动机加速时，要注意防止压气机喘振、涡轮叶片失效和燃烧室过富油熄火。减速时防止燃烧室贫油熄火。

3. 双转子发动机

结构：双转自燃气涡轮发动机的燃气发生器与单转子发动机一样，也包含

压气机、燃烧室和涡轮。所不同的是，双转子发动机有两个转子。整个气压机被分为前后两个部分，一个低压压气机，一个高压压气机；整个涡轮也被分为前后两个部分，前面的叫做高压涡轮，后面的叫低压涡轮。低压压气机与低压涡轮的转子相连，组成低压转子；高压压气机和高压涡轮的转子相连，组成高压转子。一般来说，两转子之间无机械联系，只有气动联系，气动联系是指空气首先经过低压压气机压缩，再经过高压压气机增压；膨胀时，高温、高压燃气首先在高压涡轮中膨胀，然后进一步在低压涡轮里膨胀，两转子的转速可以不同，一般来说，为了确保压气机的增压效率和降低压气机级数，高压转子的转速较之低压压气机转速高。航空发动机双转子结构的主要特点是把多级轴流压气机分成两个转子，并且

两个转子拥有不同转速。由于两个转子的转速独立不同，因此可以调节压气机前后两个转子的工作状况，当整台航空发动机转速下降时，前端的低压转子的转速下降得多一些，后端的高压转子的转速降得少一些，即高压压气机可以在较高的转速下，提升高压压气机的流通能力，使得由低压压气机流出的气流能够顺利地全部通过高压压气机。双转子系统作为有效的防喘振结构，已经广泛应用于航空发动机转子系统结构设计中。

20世纪40年代，随着航空燃气涡轮发动机的问世，飞机的性能也从亚音速发展到超音速。但是在发动机研制初期，普遍存在重视发动机性能轻视发动机可靠性，结构强度的问题。为了达到超音速飞机的要求，在发动机研制阶段着重突出了高增压比、高推重比、高涡轮前温度等技术要求，这也使得发动机上各个零部件所承受的载荷大幅度增加，进而在发动机运转的过程中出现了诸多振动、强度、疲劳等等故障。如果整机振动过大，可能造成转子与静子在小间隙处(如密封、叶尖)的碰摩，轴承载荷过大，附件振动应力超标，驾驶员及乘客的不适，飞机仪表板上指针晃动，甚至会危及吃行

安全导致灾难性的事故[v]。只要转子旋转，振动总是不可避免。振动是不能完全消除的，振动设计的任务是如何降低和控制振动。

转子的振动：

如果机器的工作小于临界转速，则称转轴为刚性轴。如果工作转速高于临界转速，则转轴称为柔性轴。具有柔性轴的旋转机器运转时较为平稳。但在起动过程，要经过临界转速。如果缓慢起动，则经过临界转速时，也会发生剧烈的振动。

在看过这些资料后，我认为所谓航空发动机就是由涡轮，进气道，燃烧室，喷管，压气机等组成等，而由于发动机的种类不同，还会有一些其他的组件，如涡扇发动机中的风扇，涡桨发动机中的螺旋桨，任意一种发动机都有其局限性。航空发动机的原理大致相同，大都是由进气道吸收空气，通过压气机压缩，进入燃烧室与油混合，然后燃烧释放化学能，是气体温度上升，而后高温高压的气体流入涡轮，带动涡轮旋转，从而带动压气机旋转。而后燃气进入喷管，从喷口高速喷出，通过反作用力产生推力。发动机在非设计状态下工作容易喘振。为了防止喘振，设计了防喘装置：在压气机中间级放气，发动机采用可调静子叶片和双转子或三转子结构。这样可以使各级的气流流量系数等于设计值。双转子结构能够有效提高压气机效率，改善发动机经济性，并让发动机在低转速工作时，涡轮前温度较低。

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