第二章民用航空器 第四節(jié)飛機(jī)的動(dòng)力裝置 航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為 工業(yè)之花 動(dòng)力裝置是飛機(jī)的核心部分 是飛機(jī)的心臟 動(dòng)力裝置是指為飛機(jī)飛行提供動(dòng)力的整個(gè)系統(tǒng) 包括發(fā)動(dòng)機(jī) 輔助動(dòng)力裝置及其他附件 其中最主要的是發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)的功用 給飛機(jī)提供推力驅(qū)動(dòng)附件 油泵 發(fā)電機(jī)等提供氣源 供給空調(diào)和增壓等 自從飛機(jī)問(wèn)世以來(lái)的幾十年中 發(fā)動(dòng)機(jī)得到了迅速的發(fā)展 早期的低速飛機(jī)上使用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)可以推動(dòng)飛機(jī)以超音速飛行的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載火箭上可以在外太空工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史 發(fā)動(dòng)機(jī)的分類 一 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī) 主要由氣缸 活塞 連桿 曲軸 氣門機(jī)構(gòu) 螺旋槳減速器 機(jī)匣等組成 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)基本組成 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)原理 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī) 即一個(gè)氣缸完成一個(gè)工作循環(huán) 活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過(guò)四個(gè)沖程 依次是進(jìn)氣沖程 壓縮沖程 膨脹沖程和排氣沖程 進(jìn)氣過(guò)程中 活塞下移 進(jìn)氣門打開 油氣混合氣吸入汽缸 接著活塞上移 進(jìn)氣門關(guān)閉 壓縮氣體 在壓縮行程末期 電咀跳電火花點(diǎn)火 混合氣很快燃燒 開始膨脹行程 推動(dòng)活塞向下移動(dòng) 從而通過(guò)連桿帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn) 輸出功率 最后 在排氣行程中 活塞上移 排氣門打開 廢氣排出外界 工作原理 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理 航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是利用汽油與空氣混合 在密閉的容器 氣缸 內(nèi)燃燒 膨脹作功的機(jī)械 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)必須帶動(dòng)螺旋槳 由螺旋槳產(chǎn)生推 拉 力 所以 作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳是不能分割的 常見的星形發(fā)動(dòng)機(jī)有5個(gè) 7個(gè) 9個(gè) 14個(gè) 18個(gè)或24個(gè)氣缸不等 在單缸容積相同的情況下 氣缸數(shù)目越多發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大 氣缸安排形式 螺旋槳 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)不能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)飛機(jī) 它必須驅(qū)動(dòng)螺旋槳使其相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生拉力從而使飛機(jī)運(yùn)動(dòng) 螺旋槳由葉片組成 葉片的橫斷面相當(dāng)于機(jī)翼的翼型 它相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí) 把空氣向后排開 空氣的反作用力給它一個(gè)向前的拉力 從而推動(dòng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng) 螺旋槳變距 變距目的 根據(jù)需要改變槳葉角 以保持或改變螺旋槳轉(zhuǎn)速 保證較高得螺旋槳效率 防止飛行中產(chǎn)生負(fù)拉力 螺旋槳變距包括自動(dòng)變距和操縱變距桿人工變距 螺旋槳順槳 回槳和反槳 順槳 當(dāng)雙發(fā) 或多發(fā) 飛機(jī)一發(fā)失效后 為減小螺旋槳的飛行阻力 使槳葉角增加到90度左右 回槳 順槳反過(guò)程 一般在發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)用 反槳 使槳葉角減小到出現(xiàn)負(fù)槳葉迎角 產(chǎn)生負(fù)拉力 縮短著陸滑跑距離 螺旋槳特點(diǎn) 葉尖速度最高接近音速 產(chǎn)生激波 阻力大增螺旋槳飛機(jī)的最高速度800公里 小時(shí)以下200到700公里 小時(shí)范圍內(nèi)螺旋槳推進(jìn)效率很高產(chǎn)生推力的效率比噴氣飛機(jī)大 特點(diǎn) 耗油低 經(jīng)濟(jì)性好結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 維護(hù)簡(jiǎn)單 可靠性好適于低速小型飛機(jī)用途 小型飛機(jī)和輕型直升機(jī) 二 空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī) 1 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推力依靠?jī)?nèi)部氣體的排出與外部介質(zhì)基本無(wú)關(guān)螺旋槳的推力外部介質(zhì) 空氣 產(chǎn)生推力 螺旋槳推進(jìn)和噴氣推進(jìn) 2 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的類型 1 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 1 與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 推力大 2 推進(jìn)效率高 主要適用于超音速飛行 3 耗油率大 噪聲大 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)剖視示意圖 2 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī) 2 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 1 渦輪輸出的功率大于壓氣機(jī)所消耗的功率 大出的部分傳給螺旋槳 2 在一定亞音速范圍內(nèi) 具有較好的經(jīng)濟(jì)性 發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高的多 4 與渦噴不同之處是渦輪帶動(dòng)螺旋槳 5 渦槳是對(duì)大量的空氣施加相對(duì)小的加速產(chǎn)生拉力 渦噴是對(duì)較小量的空氣施加相對(duì)大的加速產(chǎn)生推力 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部動(dòng)力螺旋槳拉力為主 90 噴氣產(chǎn)生推力只占10 飛行速度800公里 小時(shí)以下 2 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn) 使用航空煤油功率遠(yuǎn)比活塞式大 載客量大 用途 中速客機(jī)和支線客機(jī) 3 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合了渦輪噴氣和渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 主要機(jī)件 CFM56 7發(fā)動(dòng)機(jī) 3 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) 當(dāng)空氣流經(jīng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的前端風(fēng)扇后 分為兩個(gè)部分 一路是內(nèi)涵氣流 空氣繼續(xù)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮 在燃燒室和燃油混合燃燒 燃?xì)饨?jīng)渦輪和噴管膨脹 燃?xì)庖愿咚購(gòu)奈矅娍谂懦?產(chǎn)生推力 另一路是外涵氣流 流經(jīng)風(fēng)扇后的空氣直接通過(guò)管道排到機(jī)外 短外涵 或者一直流到尾噴口同內(nèi)涵氣流混合或分別排出 長(zhǎng)外涵 外涵道與內(nèi)涵道的流量之比 叫做涵道比 也叫流量比 ma大 涵道比越大 流量越大起飛 復(fù)飛推力大效率高 適合高亞音速 M 0 8 0 9 飛行噴氣噪音低 風(fēng)扇噪音大推力由內(nèi)涵和外涵共同產(chǎn)生 風(fēng)扇是產(chǎn)生正推力的主要部件 目前 民航運(yùn)輸機(jī)廣泛采用高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 保證足夠的推力和良好的經(jīng)濟(jì)性 渦扇式發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 4 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī) 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)包括 燃?xì)獍l(fā)生器和自由渦輪 自由渦輪和燃?xì)獍l(fā)生器渦輪只有氣動(dòng)聯(lián)系 即流過(guò)燃?xì)獍l(fā)生器渦輪的燃?xì)庠衮?qū)動(dòng)自由渦輪 自由渦輪輸出軸功率 現(xiàn)代飛機(jī)上的輔助動(dòng)力裝置 APU 也是一臺(tái)小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 功能單一 4 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī) 3 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的組成 發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件功用如下 進(jìn)氣道 恢復(fù)盡可能多的自由氣流的總壓 以最小的紊流輸送空氣到壓氣機(jī)并保持飛機(jī)阻力最小 壓氣機(jī) 通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)空氣做功 壓縮空氣提高空氣的壓力 燃燒室 空氣和燃油混合 燃燒 將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能 生成高溫燃?xì)?渦輪 燃?xì)庠跍u輪內(nèi)膨脹做功 渦輪功驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和附件 噴管 燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管繼續(xù)膨脹 將燃?xì)庖砸欢ǖ乃俣群鸵蟮姆较蚺湃氪髿?提供推力 壓氣機(jī) 燃燒室 渦輪稱為 燃?xì)獍l(fā)生器 燃?xì)獍l(fā)生器是各種發(fā)動(dòng)機(jī)的核心 3 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的組成 1 進(jìn)氣道 在各種狀態(tài)下 將足夠量的空氣 以最小的流動(dòng)損失 順利地引入壓氣機(jī) 并在壓氣機(jī)進(jìn)口形成均勻的流場(chǎng)以避免壓氣機(jī)葉片的振動(dòng)和壓氣機(jī)失速 2 壓氣機(jī) 功能 對(duì)氣體進(jìn)行壓縮 提高空氣的壓力 為燃?xì)馀蛎涀鞴?chuàng)造條件 次要功能 供應(yīng)高壓引氣 冷卻熱部件 熱空氣用于防冰 引氣用于機(jī)艙增壓 空調(diào) 燃油系統(tǒng) 工作原理 1 轉(zhuǎn)子由渦輪帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn) 空氣被連續(xù)不斷地吸入壓氣機(jī) 2 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的葉片使空氣加速 增加能量使壓力升高 3 在隨后的靜子通道中減速 擴(kuò)壓 并將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力 2 壓氣機(jī) 離心式壓氣機(jī) 軸流式壓氣機(jī) 定義當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)值 氣流在葉片通道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的氣流分離 引起氣流在壓氣機(jī)中忽斷忽續(xù)的 軸向的 周期性的 低頻高幅的振蕩現(xiàn)象 危害輕微的喘振對(duì)飛行安全不會(huì)有影響 但會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命 嚴(yán)重的喘振會(huì)使性能惡化 振壞 燒壞機(jī)件 引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火 停車 甚至直接使發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢 危及飛行安全 壓氣機(jī)喘振 3 燃燒室 將噴嘴供應(yīng)的燃油和壓氣機(jī)供應(yīng)的空氣混合燃燒釋放熱量 供給渦輪所需的均勻加熱的平穩(wěn)高溫高壓燃?xì)饬?燃燒室的類型 多個(gè)單管燃燒室環(huán)管形燃燒室環(huán)形燃燒室 環(huán)管形燃燒室 環(huán)形燃燒室 4 渦輪 高溫高壓燃?xì)馀蛎?將熱能轉(zhuǎn)換成渦輪的機(jī)械能 同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和附件提供功率 在渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)它還為螺旋槳和旋翼提供軸功率 5 尾噴管 主要功用 使從渦輪流出的燃?xì)馀蛎?加速 以一定的速度和要求的方向排入大氣 得到需要的推力 也可通過(guò)反推力裝置改變噴氣方向 產(chǎn)生反推力 縮短飛機(jī)的滑跑距離 反推 反推 4 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn)和不足 優(yōu)點(diǎn) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕 推力大 適用于高速飛行不足 耗油大 噴出氣體的速度和溫度 經(jīng)濟(jì)性差波音747 400飛機(jī)和協(xié)和式飛機(jī) 四 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 1 發(fā)動(dòng)機(jī)壓力比 發(fā)動(dòng)機(jī)壓力比是指低壓渦輪的出口總壓與低壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓之比 同氣流通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速成比例 對(duì)于軸流式壓氣機(jī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)它表征推力 用EPR表示 2 發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比 發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)外涵的空氣質(zhì)量流量與通過(guò)內(nèi)涵的空氣質(zhì)量流量之比 涵道比為 1左右是低涵道比 2 3左右是中涵道比 4以上是高涵道比 四 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 3 排氣溫度 排氣溫度 渦輪進(jìn)口總溫是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要 最關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù) 也是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要限制參數(shù) 用EGT表示 4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 常用風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n1表征推力 四 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 推進(jìn)效率 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)能有多少用于推動(dòng)飛機(jī) 五 發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置 a安裝在機(jī)翼上b吊裝在機(jī)翼下 翼吊布局 c安裝在機(jī)身尾部 尾吊布局 機(jī)身吊裝 大翼吊裝 翼下和機(jī)尾安裝 六 輔助動(dòng)力裝置 機(jī)載輔助動(dòng)力裝置 APU 用于各類運(yùn)輸機(jī)上 是建立在一臺(tái)小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的 裝在飛機(jī)機(jī)身尾部 基于它的能力限制一般在地面工作時(shí) 可以提供電源和氣源 用于啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)空調(diào)用氣 以使飛機(jī)減少對(duì)地面設(shè)備的依賴 在空中一定高度以后 可以提供電源 氣源 如果飛行高度繼續(xù)增加 到一定高度后 它僅能提供電源 七 附件系統(tǒng) 燃油系統(tǒng)作用 給發(fā)動(dòng)機(jī)提供適量的清潔燃油 并霧化燃油 便于與空氣混合 滑油系統(tǒng)作用 潤(rùn)滑機(jī)件 減小摩擦 降低磨損 散熱和冷卻 防止機(jī)件腐蝕等 散熱系統(tǒng)作用 使發(fā)動(dòng)機(jī)工作的溫度保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?點(diǎn)火系統(tǒng)功用 在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和正常工作時(shí) 使電嘴適時(shí)地產(chǎn)生電火花 可靠地點(diǎn)燃混合氣 起動(dòng)系統(tǒng)功用 利用外部動(dòng)力 使發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入慢車工作狀態(tài)