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1、飞行器动力装置,飞行器动力装置,概 述,活塞式航空发动机,燃气涡轮发动机,脉动式、冲压式发动机,火箭发动机,概述,为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为动力装置。,动力装置的构成：,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,概述,发动机是飞行器的动力源，相当于飞行器的心脏，它的性能对飞行器的发展有着非常重要的影响。,概述,发动机分类,活塞式航空发动机,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，活塞式发动机与螺旋桨是不能分割的。,活塞式航空发动机,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
2、,活塞式航空发动机,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。,活塞式航空发动机,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。,活塞式航空发动机,活塞式航空发动机的工作原理示意动画,3D演示,活塞式航空发动机,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。,活塞式发动机的汽
3、缸排列方式,活塞式航空发动机,滑油系统,燃料系统,点火系统,冷却系统,启动系统,定时系统,活塞式航空发动机,发动机功率 燃料消耗率加速性功率重量比,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,活塞式发动机的主要性能参数,活塞式航空发动机,活塞式发动机的主要特点,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。,缺点,发
4、动机功率小；外形阻力大；重量较大；螺旋桨高速旋转时效率低。,活塞式航空发动机,活塞式发动机的应用,农5,AC500,初教6,航空燃气涡轮发动机,航空燃气涡轮发动机,航空燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和燃气涡轮（简称涡轮）所组成。,压气机、燃烧室和燃气涡轮（简称涡轮）构成发动机的核心机，又称燃气发生器。,航空燃气涡轮发动机,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。,航空燃气涡轮发动机,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
5、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。,燃气涡轮发动机工作流程,3D演示,航空燃气涡轮发动机,由燃气涡轮出来的燃气，仍具有一定的能量，正是这股具有能量的燃气，才产生了发动机的推力或输出功率。利用这股燃气能量的方式不同，就相应地产生了不同类型的燃气涡轮发动机。,涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机,涡轮螺旋桨发动机,涡轮轴发动机,燃气涡轮发动机分类,航空燃气涡轮发动机,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
6、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。,涡轮喷气发动机,涡轮喷气发动机的组成：,进气道,压气机,燃烧室,涡轮,尾喷管,涡轮喷气发动机,进气道是发动机的进气通道。,进气道,涡轮喷气发动机,进气道,进气道的主要作用是：,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,涡轮喷气发动机,亚音速进气道,涡轮喷气发动机,超音速进气道,涡轮喷气发动机,进气道的布局形式,涡轮喷气发动机,压气机,压气机的功用：,依靠
7、其高速旋转的工作叶轮对空气作功，提高空气的压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气。,轴流式压气机,根据压气机的结构形式和空气在压气机中的流动特点，压气机分为两类：,离心式压气机,涡轮喷气发动机,离心式压气机,离心式压气机主要由导流器、离心叶轮、扩压器、集气管等组成。,涡轮喷气发动机,涡喷5,增压比一般小于10。,进入压气机的空气首先进入导流器进行预旋，增加空气流入离心叶轮的流速；高速旋转的离心叶轮使空气获得动能，相对速度和压力都增大；在惯性离心力的作用下，气流以很高的速度离开叶轮，进入扩压器和集气管；高速气流在静止的扩压器和集气管的扩散形通道中流速降低，压力进一步提高。,涡轮喷气发动机,轴流式
8、压气机,轴流式压气机的主要部件是转子和静子。,涡轮喷气发动机,转子由工作叶片、轮盘和轴组成。由一排固定在轮盘上的工作叶片组成的轮子叫做叶轮（也称工作轮）。叶轮在涡轮的带动下高速旋转而工作。,涡轮喷气发动机,静子是压气机中不旋转的部分，由机匣和整流叶片组成。一排整流叶片组成一个整流环，固定在机匣上。,涡轮喷气发动机,轴流式压气机的叶轮和整流环交错排列。一个叶轮和一个整流环组成轴流式压气机的一“级”，燃气涡轮发动机都采用多级的型式以提高压气机的增压能力。,涡轮喷气发动机,多级压气机：517级,军用涡轮风扇发动机的压气机：2530级,涡轮喷气发动机,燃烧室的功用：,燃烧室是燃料与从压气机出来的高压空
9、气混合燃烧的地方。,将燃料的化学能转变为内能，气体的温度和压力升高。高温、高压的气体冲击涡轮，驱动涡轮旋转而发出功率。,燃烧室,涡轮喷气发动机,燃烧室的工作原理,涡轮喷气发动机,燃烧室的类型,燃气涡轮发动机所使用的燃烧室主要有三种类型：,分管燃烧室联管燃烧室环形燃烧室,涡轮喷气发动机,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。航空燃气涡轮功率大，效率高，转速快，燃气温度高，所以工作条件十分恶劣。,涡轮,涡轮喷气发动机,燃气涡轮的组成,燃气涡轮的主要部件也是转子和静子。,涡轮喷气发动机,燃气涡轮的工作原理,涡轮喷气发动机
10、,尾喷管,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，燃气在尾喷管中膨胀加速，以高速由喷管排出，产生推力。,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。,加力燃烧室,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。,涡轮喷气发动机的应用
11、和不足,涡轮风扇发动机,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单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。,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。,涡轮风扇发动机,3D演示,涡轮风扇发动机,高涵道比涡轮风扇发动机,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，目前高涵道比、大推力的涡轮风扇发动机广泛应用于大型运输机上。,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
12、时油耗较低，开加力时推重比大的特点，目前已在新一代歼击机上得到广泛应用。,涡轮螺旋桨发动机,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。,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。但是，由于它的排气能量损失少，推进效率高，所以耗油率低。本世纪50年代研制的运输机上采用这种发动机的较多，目前其仍是支线旅客机的主要动力。,涡轮轴发动机,涡轮轴发动机是直升机的动力，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
13、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。,可转喷口的涡轮喷气（涡扇）发动机,可转喷口的涡喷/涡扇发动机通常用于垂直起降飞机，由于其喷口可转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。英国的鹞式、俄罗斯的雅克-38、雅克-141、美国的F-35都采用了这类发动机。,火箭发动机,概 述,火箭发动机的基本参数,火箭发动机的类型,火箭发动机,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
14、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。,概 述,火箭发动机,一 推力,二 冲量、总冲,三 比冲、比推力,火箭发动机的基本参数,火箭发动机,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。,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。,比冲是指火箭发动机燃烧一千克质量推进剂所产生的冲量。,1 推力,2 冲量、总冲,3 比冲、比推力,火箭发动机,一 液体火箭发动机,二 固体火箭发动机,三 固液混合火箭发动机,火箭发动机的类型,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
15、；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。,液体火箭发动机,液体火箭发动机由液体燃料输送系统、燃烧室、喷管组成。燃料剂和氧化剂在燃烧室气化、混合、燃烧，从喷管喷出产生推进力。,液体发动机组成及工作原理,火箭发动机,挤压式：通过高压气体的压力作用推动燃料剂和氧化剂进入燃烧室燃烧。泵式：使用外部动力驱动燃烧剂泵和氧化剂泵来输送推进剂。,推进剂输送系统,火箭发动机,推力室喷注器：将燃料剂和氧化剂气化喷射进入燃烧室。燃烧室：引燃气态的燃料剂和氧化剂，使其燃烧产生动力。喷管：导出燃烧后的气体产生推进力。推
16、进剂对液体推进剂要求：能量高可获得高比冲或高比冲密度，有良好的物理和化学安定性，无毒性和金属腐蚀性，有一种传热性好可用于冷却推力室的组元，粘度小，燃烧性好，成本低。推进剂分氧化剂和燃烧剂。氧化剂：液氧、硝酸、过氧化氢等。燃烧剂：液氢、航空煤油、肼及其衍生物等。,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。,推进剂的种类常用的有胶体推进剂和复合推进剂。推进剂的燃烧方式目前有三种：端面燃烧、侧面燃烧、端侧面同时燃烧。,火箭发动机,固体火箭发动机,固液混合式火箭发动机兼有二者的优点。其液体部分通常使用挤压式燃料输送法，输送氧化剂与固体燃料反应产生动力。,火箭发动机,固液火箭发动机,脉动式喷气发动机,冲压式喷气发动机,脉动式、冲压式发动机,工作时，先把空气压入活门装置内与燃料混合燃烧，燃烧后燃烧的压力将活门关闭。燃气喷出后燃烧室内的压力小于外界大气压，压差的作用将活门自动打开，空气再进入燃烧室循环工作。,脉动式发动机,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。,冲压式发动机,
