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1、,航空活塞动力装置,绪 论,重75kg，功率12hP。,活塞式发动机+螺旋桨的组合成为飞机固定的推进模式。,飞机性能迅猛发展，速度达到700800km/h，高度达到10000m以上。诸多原因决定了活塞式发动机+螺旋桨的推进模式的终结。,由于造价低、易于维修等优点仍用于一些初级教练机和小型运输机上，多为气冷式小功率活塞式发动机。,航空活塞式发动机发展史,绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,一、热机和航空发动机,发动机是一种将某种能量转换成机械功的动力装置。,根据能量来源不同可分为：热力发动机、水力发动机、电力发动机、原子能发动机等。,绪 论,热机的工作由两大步骤组成：,首先必须使燃料燃烧释放出热能；
2、再将释放出的热能转换成机械功。,根据热机燃料燃烧方式，分为：外燃机和内燃机。,绪 论,航空发动机分为两大类：航空活塞发动机和航空喷气发动机。如下图活塞发动机：,绪 论,优点：低速经济性好，工作稳定性好；缺点：重量功率比大，高空性能、速度性能差；用途：轻型低速飞机和初教机。,绪 论,航空喷气发动机,优点：重量轻、推力大，高空性能好、速度性能好；缺点：经济性较差。用途：运输机、战斗机。,绪 论,二、对航空发动机的要求,性能参数可靠性维修性总寿命,一般衡量发动机品质的主要指标有：,绪 论,1、性能参数,推重比：发动机的推力与自身重量的比值,重功比：发动机的重量与发动机产生的功率的比值,燃油消耗率：发
3、动机在单位时间产生单位推力（功率）的燃油量。意义：表示发动机经济性的好坏，直接影响飞机的有效载重，航程和续航时间,绪 论,发动机的加速性：发动机转速上升的快慢程度 影响飞机的起飞越障能力和复飞性能 活塞发动机的加速性好于喷气发动机,1、性能参数,发动机高空性：指发动机性能随飞行高度增加的下降程度 高空性主要限制飞机的实用升限 喷气发动机的高空性好于活塞发动机,绪 论,2、发动机的可靠性,指发动机在各种工作条件和外界环境下，在规定的寿命期内完成规定性能的能力。衡量发动机可靠性的指标空中停车率 发动机在每飞行1000小时因发动机本身故障 引起的空中停车次数，单位：次/1000飞行小时。提前换发率（
4、非计划换发率）单位：次/1000飞行小时,绪 论,3、发动机的维修性,指在规定条件下（包括维修等级、燃油技术水平与资源等），在规定时间内，按规定程序进行维修时，保持或恢复发动机性能的能力。提高发动机的维修性：可以确保飞行安全和飞行任务的完成可以节省大量的人力、物力、财力,绪 论,3、发动机的维修性,衡量发动机维修性的指标：每飞行小时直接维修工时；更换发动机时间；外场可更换组件的更换时间,绪 论,4、发动机的寿命,早期：翻修寿命和总寿命,现在：部件（关键件）寿命、视情维护衡量寿命的指标：发动机工作时间（小时）或发动机循环次数,第一章 航空动力装置的基础知识,第一节 气体、气流的基础知识,1、工质
5、 航空发动机是一种热力发动机，热机工作时，必须以某种物质为媒介，才能将热能转换成机械能，完成这种能量转换的媒介物叫工质。,一、气体的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,2、理想气体 分子本身只有质量而不占体积；分子间不存在吸引力。,3、气体的状态参数 描述气体状态的物理量：比容、压力、和温度,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,气温：描述气体的冷热程度，是分子热运动平均移动功能的度量。当向气体加热时，气体分子热运动加剧，分子平均移动动能增加，反映出来就是温度上升。温度的分度方法叫温标。常用温标有：摄氏温度（），华氏温度（），热力
6、学温度（K）。,T=t+273,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,压力的测量绝对压力P表压力Pg大气压力PoP=Pg+PoPv=Po-P,发动机的滑油压力、燃油压力等液体压力测量都是表压；在热力学计算中，都必须使用绝对压力。,第一章 航空动力装置的基础知识,PV图:图中任意一点都能表T气体的一个状态，曲线表示气体状态变化过程。,第一章 航空动力装置的基础知识,5.气体的热力过程 等容过程:V不变(燃烧过程)(4-8线)等压过程:P不变(燃烧过程)(1-5线)等温过程:T不变(2-6线)绝热过程:气体与外界无热 交换。(3-7线),第
7、一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,二、气体的基础知识,1.稳定流动与流体的连续性稳定流动：指流体在空间各点的流动的参数不随时间的变化而变化的流动，也叫定常流动。发动机稳定工作时气体的流动接近于稳定流动。,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,2、音速和马赫数 音速是弱扰动波在介质中的传播速度。,音速描述了介质的压缩性：a越大，说明介质受压后，其密度变化小，介质不易压缩；a越小，说明介质受压后，其密度变化大，介质易压缩；,第一章 航空动力装置的基础知识,对气体介质，经推导：,k气体绝热系数 R气体常数T气体绝对温度,当标准大气，温度为288K
8、时，音速为340m/s，1224km/h；当在11000高空时，大气温度降为216.5K,音速值减少为295m/s，1062km/h。,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,物理意义：描述了气流所具有的总能量大小。绝能流动时总温不变。总压：气体绝能、无摩擦地阻滞到速度为零时气体的压力。用P*表示。不可压流的总压等于静压与动压之和。物理意义：描述了气流所具有的总机械能大小及气体做功的能力。绝能、无摩擦流动时总压不变。气流M=1时的状态叫临界状态。此状态下，总压与静压之比成为气体的临界压力比。,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动
9、力装置的基础知识,M1，收敛形管道，截面积A，流速C，T,P;扩散形管道，截面积A，流速C，T,P;单纯的收敛形管不可能将亚音速气流加速到超音速或单纯的扩张形通道不通过激波将超音速气流减速到亚音速气流。实现上述功能可以利用收敛一扩散性管道(拉瓦尔管)，喉部为音速,第一章 航空动力装置的基础知识,一、燃烧反应1.燃烧的实质:物质产生发光、发热剧烈的化学反应。完全燃烧:燃烧产物中无可燃物质。2.余气系数和油气比 要使发动机中混合气中燃料完全燃烧，混合气中油和气的比例必须适当，描述混合气中油和空气成分的参数有余气系数和油气比。,第二节 燃烧的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力
10、装置的基础知识,油气比可直接反应混合气中燃料和空气的比例，但不能直观反应混合气贫、富油程度。,(3)油气比：混合气中燃料的质量与空气质量的比值。油气比用C表示，即：,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,4.混合气的放热量单位重量的混合气的 放热量。a1，多余的空气吸热，放热量。a=0.97，放热量最大。,第一章 航空动力装置的基础知识,二、火焰的传播1.混合气的着火(1)混合气的着火:混合气温度达到一定数值时，开始出现火焰而燃烧起来的现象。(2)着火温度:混合气着火所需的最低温度。(3)着火方法:点燃(航空发动机)、压燃(柴油发动机)2.混合气中火焰的传播(1)静止
11、混合气中火焰的传播火焰前锋:己燃混合气和新鲜混合气之间的一层向前推进的正在起剧烈化学反应的发光、发热的气体薄层。是己燃区和未然区的分界面。火焰传播速度Vp:火焰前锋相对于新鲜混合气向前推进的速度。,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,(2)流动混合气中火焰的传播层流混合气:火焰前锋不动，Vp=混合气流动速度,第一章 航空动力装置的基础知识,紊流混合气:增大接触面积热传递和活性中心扩散新鲜混合气温度能迅速达到着火温度Vp。紊流混合气Vp层流混合气Vp.,第一章 航空动力装置的基础知识,3.影响火焰传播速度的因素(1)混合气性质：热值越大，燃料与氧化剂进行化学反应所需的
12、活化能越小，混合气导热性越好混合气达到着火温度时间越短Vp越大。(2)混合气的余气系数a=0.9，Vp最大；a=1.6，贫油极限，a=0.3，富油极限。a稍小于1，放热量最大热传递和活性中心扩散最强Vp最大。a过大或过小，放热量小，不能点燃新鲜混合气燃烧中断。,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,(3)混合气的初温、初压初温混合气达到着火温度时间燃烧后气体的温度活性中心浓度，扩散初温 Vp初压:静止混合气，初压对Vp基本无影响。紊流混合气，初压 Vp。(4)气流的紊流强度气流紊流强度 Vp(5)点火能量点火能量混合气达到着火温度的时间 Vp 对航空发动机来说，余气系
13、数和紊流是主要的影响因素。,第一章 航空动力装置的基础知识,第三节 奥托循环及热力学第二定律,1.奥托循环（等容加热循环）1.奥托循环PV图:1一2:绝热压缩 2一3:等容加热3一4:绝热膨胀 4一1:等容放热,第一章 航空动力装置的基础知识,2.奥托循环热效率:定义:一次循环中，1公斤工质气体对发动机所作的功与燃料加给它热量的比值。公式：,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,第一章 航空动力装置的基础知识,二、热力学第二定律1.自发过程的不可逆性自然界的自发过程是不可逆的，要使逆过程进行，必须外加条件。2.热力学第二定律（“开尔芬说法”）要制成只从一个热源吸收热量
14、并把它全部转换成机械功的发动机是不可能的。任何一种热机，要将热能转变成机械能，必须满足两个条件：必须具备热源和冷源，工质必须向冷源排热，因而只能将部分热能转变成机械能，这是热机热效率不高的根本原因之一。,第一章 航空动力装置的基础知识,机械能可以自发地转变为热能，而热能则不会自发地转变成机械能，应该有条件地转变成机械能。,热力学第二定律作为自然界的一条客观规律，人类必须遵守，不能违背。历史上曾有人企图创造一种发动机，利用大气所含热能来源源不断地做功。这种只从一个热源（大气）吸收热能来做功的发动机（称第二类永动机）是违反热力学第二定律的（没有冷源），转变机械能的热量与废气带走的热量是不可能实现的。,
