航空器推进装置.ppt

航空航天概论 第六章 航空器推进装置,2,参观日期：2013.12.14 班车发车时间：9：00 参观时间：9：30-11：00 班车返回时间：11：15,3,主要内容,6.1 推进装置分类和特点,6.2 活塞式发动机,6.3 燃气涡轮发动机,6.4 冲压/脉动发动机,6.5 火箭发动机,4,6.1 推进装置分类和特点,为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为动力系统。它包括发动机和保证发动机正常工作的辅助系统。可以简称为发动机。发动机是飞行器的动力源，它的性能对飞行器的性能有极重要的影响。故而被人们称为飞行器的心脏。 航空发动机是将航空燃料中所含的化学能量转变为热能、再转化成机械能的热力机械。,5,发动机,推进剂或燃料系统,保证发动机正常工作的其他附属系统,6,6.1 推进装置分类和特点,航空发动机的性能对飞机的性能影响很大。 评定航空发动机品质的主要指标有：,性能参数-推重比、耗油率等 可靠性 耐久性 ,7,6.1 推进装置分类和特点,参照教材P142-P143,8,6.1 推进装置分类和特点,飞行器推进系统,吸气式发动机,火箭喷气式发动机,活塞式发动机,燃气涡轮发动机,冲压喷气式发动机,脉动喷气式发动机,参照教材P142-P143,9,6.1 推进装置分类和特点,飞行器推进系统,直接反作用推进系统,间接反作用推进系统,火箭发动机,组合发动机,冲压发动机,涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机,活塞式发动机,涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机,活塞式航空发动机一般以汽油为燃料，带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力为飞机提供动力。,所以，作为飞机的动力装置时，发动机与螺旋桨是不能分割的。,6.2 活塞式发动机,活塞式航空发动机的主要构件,气缸 活塞 连杆 曲轴 进、排气活门,6.2 活塞式发动机,活塞式航空发动机的工作原理,绝大多数活塞式航空发动机的工作循环是由四个冲程组成的，称为四冲程发动机。即活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。,进气 压缩 膨胀 排气,6.2 活塞式发动机,活塞冲程,当活塞在气缸中移动时，它相对曲轴有两个极限位置：活塞离曲轴中心最远的位置称为上死点，活塞离曲轴中心最近的位置称为下死点。上死点和下死点之间的距离称为活塞冲程 。,6.2 活塞式发动机,活塞式航空发动机的工作原理,6.2 活塞式发动机,进气冲程 压缩冲程 燃烧冲程 排气冲程,活塞式航空发动机的工作原理示意图,6.2 活塞式发动机,活塞式发动机的气缸排列方式,为满足功率要求并使发动机工作平稳，活塞式航空发动机一般都是多气缸组合构成的。依照气缸排列方式不同，可分为：直立型、V型、对立型、X型、星型等。,6.2 活塞式发动机,活塞式发动机的气缸排列方式,V型和对立型,6.2 活塞式发动机,活塞式发动机的辅助系统,进气系统,燃料系统,点火系统,冷却系统,启动系统,定时系统,6.2 活塞式发动机,航空活塞式发动机主要性能参数,发动机功率 发动机可用于驱动螺旋桨的功率称为有效功率。 燃料消耗率 衡量发动机经济性的一项指标，以每千瓦功率在1小时所消耗的燃料质量表示，单位为kg/(kW·h),加速性 发动机从最小转速到最大转速所需的时间，愈短愈好。良好的加速性可提高飞机机动性能。 良好的维护性、高可靠性、长寿命、小的结构质量和迎风面积。,6.2 活塞式发动机,航空活塞式发动机主要性能参数,从第一架飞机上天到二战结束，活塞式发动机获得了飞速发展：,单机功率：十几千瓦提高到18003500千瓦,功率重量比由0.12千瓦/千克提高到1.85千瓦/千克,燃油消耗率由0.46千克/千瓦时降至0.26千克/千瓦时,6.2 活塞式发动机,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。,6.2 活塞式发动机,小鹰-500,旅行者,活塞式发动机的应用,6.2 活塞式发动机,活塞式发动机的缺点,发动机功率小； 重量大； 外形阻力大； 螺旋桨高速旋转时效率低。,6.2 活塞式发动机,航空燃气涡轮发动机有四种基本类型，即涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。在这些发动机中都有压气机、燃烧室和燃气涡轮，因此统称为燃气涡轮发动机。,24,6.3 燃气涡轮发动机,航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种，因此从产生输出能量的原理上讲，燃气涡轮发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段。,25,6.3 燃气涡轮发动机,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，再进入燃气涡轮中膨胀作功，使涡轮高速旋转并输出功率。,26,6.3 燃气涡轮发动机,27,6.3 燃气涡轮发动机,6.3 燃气涡轮发动机,涡轮喷气发动机的性能参数,推力,单位推力,推重比,单位耗油率,单位迎风面积推力,噪声和排气污染,29,6.3 燃气涡轮发动机,燃气发生器,由压气机、燃烧室和燃气涡轮组成。 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。,6.3 燃气涡轮发动机,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。,6.3 燃气涡轮发动机,燃烧室的功用,将燃料中所含的化学能转化为热能，燃料在燃烧过程中所释放的热量使流过燃烧室的空气的温度提高。 即在燃烧室中，从压气机流入的压缩空气与喷嘴喷出的燃油混合燃烧，使燃气膨胀加速，向涡轮提供具有一定温度场的燃气流。,6.3 燃气涡轮发动机,燃烧室工作原理,6.3 燃气涡轮发动机,燃气涡轮的功用,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。,6.3 燃气涡轮发动机,进气道,进气道的主要作用： 整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证在各种工作状态下都能供给发动机所需的空气量； 降低高速气流的速度，将动能转变为压力势能。,根据飞机的飞行速度的不同，进气道可分为：,亚音速进气道,超音速进气道,6.3 燃气涡轮发动机,歼-5,亚音速进气道,米格-15,6.3 燃气涡轮发动机,超音速进气道,F-16,歼-7,6.3 燃气涡轮发动机,发动机进气道在机身上的位置,机头进气,背部进气,机身两侧机翼下,腹部进气,6.3 燃气涡轮发动机,燃气涡轮发动机根据燃气发生器后面有无“动力涡轮”以及动力涡轮所驱动的部件不同，分为四种类型。 所谓动力涡轮是指位于燃气发生器后面的一个传动其他部件的涡轮，从燃气发生器出来的燃气流入这个涡轮中继续膨胀作功。在大多数发动机中，动力涡轮与燃气涡轮没有机械连系，各自工作于不同的转速，所以动力涡轮也称为自由涡轮。,6.3 燃气涡轮发动机,涡轮喷气发动机,涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机,涡轮风扇发动机,6.3 燃气涡轮发动机,涡轮喷气发动机的燃气发生器后面直接布置了一个尾喷管，燃气以高速由喷管排出，产生推力。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.1 涡轮喷气发动机,由于涡轮喷气发动机的推力是由高速排出高温燃气所获得的，所以在得到推力的同时有不少由燃料燃烧所产生的能量以燃气的动能和热能的形式排出发动机，能量损失较大，因此其耗油率较高。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.1 涡轮喷气发动机,为了短期内提高涡轮喷气发动机的推力，可在尾喷管前加装加力燃烧室。在需要增加推力时，向燃气中补充喷入燃油进一步燃烧，提高燃气的速度，达到增加推力的目的。在加力时，由于排出的燃气温度和速度均大大提高，因而能量损失更大，所以耗油率比非加力时将成倍增加。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.1 涡轮喷气发动机,Su-25,涡喷发动机 的应用,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.1 涡轮喷气发动机,涡轮螺旋桨发动机的燃气能量绝大部分在动力涡轮中膨胀做功，动力涡轮通过减速装置降低转速后,再驱动螺旋桨，燃气中剩下的很少部分能量在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力 。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.2 涡轮螺旋桨发动机,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.2 涡轮螺旋桨发动机,涡轮螺旋桨发动机由于有直径较大的螺旋桨，所以飞行速度受到限制，一般用于M=0.50.7的飞机上。,运7,运8,特点：动力涡轮通过减速器带动螺旋桨。起飞功率大，油耗低，续航能力强，多用于低亚音速运输机，轰炸机，目前短程客机也主要采用这种发动机。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.2 涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机是直升机的主要动力，其工作原理和结构基本与涡轮螺旋桨发动机相同。不同的是其燃气发生器排出的燃气能量几乎全部在动力涡轮中膨胀，由喷管排出时，气流速度很低；另外，其输出轴转速较高，有的涡轮轴发动机由动力涡轮直接输出轴功率，有的则装有减速较小的减速器。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.3 涡轮轴发动机,直11,米28,AH64,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.3 涡轮轴发动机,涡轮风扇发动机的动力涡轮的传动轴驱动的是外径比燃气发生器大的1级或几级称为风扇的叶片。流入发动机的空气在风扇中增压后，一部分经燃气发生器中流过，称为内涵气流；另一部分经围绕燃气发生器外壳的外环中流过，称为外涵气流。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,涡轮风扇发动机推力由内、外涵道气流分别产生的推力组成。外涵与内涵空气流量的比值称为涵道比。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,涡轮风扇发动机具有耗油率低、起飞推力大、推重比高、噪音低的优点。因此，目前高函道比、大推力的涡轮风扇发动机广泛应用于大型运输机上。,Boeing 737,A319,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,此外，加力式涡轮风扇发动机由于具有低速时油耗较低，开加力时推重比大的特点，适合于高超音速的战斗机、轰炸机。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,F22（猛禽）,FC1（超7）,FBC1（飞豹）,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,可转喷口的涡轮风扇发动机通常用于垂直起降飞机，由于其喷口可转向垂直于地面的方向提供沿垂直方向的推力，同时还需利用机头、机尾、翼尖的喷口来进行姿态控制。例如英国的 鹞式、俄罗斯的雅克-38、 雅克-141、美国的AV-8b 和竞标JSF成功的XF-35 都采用了这类发动机。,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,垂直起降飞机,6.3 燃气涡轮发动机,6.3.4 涡轮风扇发动机,发动机在机身上的位置,机身内后部,机翼根部,机翼下（多用于旅客机）,机身后部平尾根部,6.3.4 涡轮喷气发动机,脉动式喷气发动机,特点：简单、体积小，可以自己启动，推力忽大忽小，不宜载人，燃油消耗量大。,原理：工作时，将活门打开，空气进入燃烧室与燃料混合燃烧。靠燃气的压力将活门关闭，以防止燃气倒流。燃气高速从长喷管喷出，产生推力。燃气喷出后，燃烧室空气稀薄，压力小于外界大气压，由于压差作用，自动打开活门，空气再进入燃烧室，循环工作。,6.4 冲压/脉动发动机,冲压式喷气发动机,空气先经进气道扩压后，速度下降、压力提高，压缩后的空气与喷油咀喷出的燃油混合，在燃烧室内进行等压燃烧，高温高压燃气从喷管高速喷出，产生推力。,特点：只有飞行速度很大时才能有效地产生推力；地面放置时，速度为0，不能产生推力；推重比大；简单。,6.4 冲压/脉动发动机,2004年3月27日，M=7 ，11月17日，M=9.8,火箭发动机是航天器的发展基础！,64,6.5 火箭发动机,65,6.5 火箭发动机,福布斯-土壤火星探测器,火箭发动机是我国劳动人民首先创造出来的。早在唐代初年(约在七世纪）火药就出现了，南宋时代火药用来制造烟火，其中包括“起花”。大约在十三世纪制成火箭。我国古代制造的火箭和起花所用的是黑色火药。它们的工作原理和现代的固体燃料火箭是一样的。 火箭发动机的特点是不仅自带燃烧剂而且自带氧化剂。燃烧剂和氧化剂统称为推进剂。由于火箭发动机的工作不依靠空气，因此它是大气层以外飞行和宇宙航行的主要动力装置。,66,6.5 火箭发动机,火箭发动机的基本参数,6.5 火箭发动机,推力：火箭发动机的推力是作用在发动机内外表面各种力的合力 。 冲量：发动机的冲量决定于推力的大小和工作时间的长短。定义为推力对工作时间的积分。 比冲：比冲是指火箭发动机燃烧一千克质量推进剂所产生的冲量 。,一 液体火箭发动机,二 固体火箭发动机,三 电火箭发动机,火箭发动机的类型,三 核火箭发动机,6.5 火箭发动机,6.5.1 液体火箭发动机,按推进剂组元的数目，可分为单组元、双组元和三组元液体火箭发动机。 双组元液体火箭发动机的推进剂包括燃烧剂和氧化剂；工作时，专门的输送系统分别将它们送进燃烧室。所以液体火箭发动机包括推进剂输送系统、流量调节控制活门、推力室、冷却系统和固定零部件的发动机架。,6.5 火箭发动机,6.5.1 液体火箭发动机,液体火箭发动机的特点 发动机控制系统可对发动机的工作程序（发动机起动、工作、关机）和工作参数（指推力大小、推进剂的混合比）进行调节和控制。这一过程是按预定程序自动进行的。 液体火箭发动机的优点是比冲高，推力范围大（单台推力在1克力700吨力）、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。液体火箭发动机主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。,6.5.1 液体火箭发动机,6.5 火箭发动机,固体火箭发动机的主要特征之一是推进剂直接充填在燃烧室内；推进剂燃烧产生能量，同时燃烧产物又作为工质经喷管排出产生推力。,6.5.2 固体火箭发动机,6.5 火箭发动机,6.5.2 固体火箭发动机,6.5 火箭发动机,固体火箭发动机的特点： 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载人飞行。 固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。,6.5.2 固体火箭发动机,6.5 火箭发动机,电火箭发动机是利用电能加速工质，形成高速射流而产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同，这种发动机的能源和工质是分开的。电能由飞行器提供，一般由太阳能、核能、化学能经转换装置得到。工质有氢、氮、氩、汞、氨等气体。 电火箭发动机由电源、电源交换器、电源调节器、工质供应系统和电推力器组成。电源和电源交换器供给电能；电源调节器的功用是按预定程序起动发动机，并不断调整电推力器的各种参数，使发动机始终处于规定的工作状态；工质供应系统则是贮存工质和输送工质；电推力器的作用是将电能转换成工质的动能，使其产生高速喷气流而产生推力。,6.5.3 电火箭发动机,6.5 火箭发动机,按加速工质的方式不同，电火箭发动机有电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机的三种类型。电热火箭发动机利用电能加热（电阻加热或电弧加热）工质（氢、胺、肼等），使其气化；经喷管膨胀加速后，由喷口排出而产生推力。静电火箭发动机的工质（汞、铯、氢等）从贮箱输入电离室被电离成离子，然后在电极的静电场作用下加速成高速离子流而产生推力。电磁火箭发动机是利用电磁场加速被电离工质而产生射流，形成推力。电火箭发动机具有极高的比冲（70O250O秒）、极长的寿命（可重复起动上万次、累计工作可达上万小时）。但产生的推力小于10ON。这种发动机仅适用于航天器的姿态控制、位置保持等。,6.5.3 电火箭发动机,6.5 火箭发动机,核火箭发动机用核燃料作能源，用液氢、液氦、液氨等作工质。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中，核能转变成热能以加热工质，被加热的工质经喷管膨胀加速后，以65001100O米秒的速度从喷口排出而产生推力。核火箭发动机的比冲高（2501000秒）寿命长，但技术复杂，只适用于长期工作的航天器。这种发动机由于核辐射防护、排气污染、反应堆控制，以及高效热能交换器的设计等问题未能解决，至今仍处于试验之中。此外，太阳加热式和光子火箭发动机尚处于理论探索阶段。,6.5.4 核火箭发动机,6.5 火箭发动机,