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航空工程与技术概论航空工程与技术概论第九章第九章 航空发动机航空发动机活塞式发动机活塞式发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡桨发动机涡桨发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机涡轴发动机涡轴发动机桨扇发动机桨扇发动机v 航空发动机（航空发动机（aero-engineaero-engine），是为航空器提供推动力或支持力的），是为航空器提供推动力或支持力的装置，是航空器的心脏。装置，是航空器的心脏。v 自从飞机问世以来的几十年中，发动机得到了迅速的发展，从早期自从飞机问世以来的几十年中，发动机得到了迅速的发展，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，航空发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同喷气式发动机，航空发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同的大家族。的大家族。v 从发展历程来说，航空发动机经历了两个显著的发展时期，即：活从发展历程来说，航空发动机经历了两个显著的发展时期，即：活塞式发动机时期和燃气涡轮发动机时期。塞式发动机时期和燃气涡轮发动机时期。航空发动机分类：航空发动机分类：在过去的一个在过去的一个航空航空百年里，人类所使用的主要的航空发百年里，人类所使用的主要的航空发动机，可分为两大类动机，可分为两大类:1、活塞式发动机、活塞式发动机冷却方式（液冷式、气冷式）。冷却方式（液冷式、气冷式）。气缸排列方式气缸排列方式(星形、星形、V形、直列式、对列式、形、直列式、对列式、X形形)2、空气喷气式发动机、空气喷气式发动机无压气机（冲压式喷气发动机、脉动式喷气发动机）。无压气机（冲压式喷气发动机、脉动式喷气发动机）。有压气机（涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋有压气机（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、螺桨风扇发动机）桨发动机、涡轮轴发动机、螺桨风扇发动机）。与航空器的与航空器的发发展史一展史一样样，航空，航空发动发动机也机也经历经历了百余年的了百余年的发发展。展。飞行者飞行者1号的活塞发动机号的活塞发动机从二十世纪初到二十世纪四十年代中期，所有带动力的从二十世纪初到二十世纪四十年代中期，所有带动力的飞行器都毫无例外的以活塞式发动机飞行器都毫无例外的以活塞式发动机/螺旋桨为动力装置。螺旋桨为动力装置。1935年，德国人汉斯年，德国人汉斯 冯冯 奥海因奥海因(Hans von Ohain)博士开始世界上第一台离心式喷气发动机博士开始世界上第一台离心式喷气发动机 HeS-3A 的设计，于的设计，于1936年完成研制。年完成研制。1942 年，另一位德国人海尔伯特年，另一位德国人海尔伯特 瓦格纳瓦格纳(Herbert Wagner)教授完成了世界上第一台轴流燃教授完成了世界上第一台轴流燃气涡轮发动机的研制。气涡轮发动机的研制。从从20世纪世纪40年代末到年代末到21世纪初，与喷气战斗机的发展历程类世纪初，与喷气战斗机的发展历程类似，喷气发动机的发展也大致经历了四次更新换代。似，喷气发动机的发展也大致经历了四次更新换代。第一代航空燃气轮发动机第一代航空燃气轮发动机国别国别发动机型号发动机型号类型类型装备的飞机装备的飞机推力推力/重量比重量比苏联苏联BK-1FBK-1F涡轮喷气涡轮喷气米格米格152.03 34美国美国J47J47涡轮喷气涡轮喷气F86F86苏联苏联-9-9加力涡轮喷气加力涡轮喷气米格米格19美国美国J57J57加力涡轮喷气加力涡轮喷气F100F10020世纪世纪40年代末到年代末到50年代中年代中第二代航空燃气轮发动机第二代航空燃气轮发动机国别国别发动机型号发动机型号类型类型装备的飞机装备的飞机推力推力/重量比重量比苏联苏联P11-300P11-300加力涡轮喷气加力涡轮喷气米格米格215 56苏联苏联P29-300P29-300加力涡轮喷气加力涡轮喷气米格米格23美国美国J79-GE-3J79-GE-3加力涡轮喷气加力涡轮喷气F104F104美国美国J79-GE-17J79-GE-17加力涡轮喷气加力涡轮喷气F F420世纪世纪50年代中使用到年代中使用到70年代年代第三代典型发动机第三代典型发动机国别国别发动机型号发动机型号类型类型装备的飞机装备的飞机推力推力/重量比重量比俄罗斯俄罗斯31加力涡轮风扇加力涡轮风扇苏苏278.0俄罗斯俄罗斯-33米格米格29美国美国F100-PW100F100-PW100F15CF15C、F16美国美国F100-GE100F100-GE100F15EF15E、F16C美国美国F404-GE400F404-GE400F/A-18F/A-18欧洲欧洲RB199RB199狂风狂风法国法国M88-2M88-2幻影幻影2000从从1974年到年到21世纪初期，装有第三代喷气发动机的战斗机世纪初期，装有第三代喷气发动机的战斗机都是战斗机中的主力都是战斗机中的主力。第第四四代典型发动机代典型发动机国别国别发动机型号发动机型号类型类型装备的飞机装备的飞机推力推力/重量比重量比美国美国F119F119加力涡轮风扇加力涡轮风扇F-22F-2210.0俄罗斯俄罗斯41米格米格1.421.42第四代战斗机要求发动机的推重比要在第四代战斗机要求发动机的推重比要在10以上，以上，采用矢量推力喷管，有良好的隐身能力等。采用矢量推力喷管，有良好的隐身能力等。活塞式发动机活塞式发动机活塞式航空发动机活塞式航空发动机Aircraft Piston Engine 为航空器提供飞行动力的往复式内燃机。发动为航空器提供飞行动力的往复式内燃机。发动机带动空气螺旋桨等推进器旋转产生推进力。机带动空气螺旋桨等推进器旋转产生推进力。小功率活塞式航空发动机比燃气涡轮发动机经小功率活塞式航空发动机比燃气涡轮发动机经济，在轻型低速飞机上仍得到应用。济，在轻型低速飞机上仍得到应用。活塞式发动机的主要组成活塞式发动机的主要组成活塞式发动机主要由汽缸、活活塞式发动机主要由汽缸、活塞、连杆、曲轴、分气机构、塞、连杆、曲轴、分气机构、螺旋桨减速器和机匣等部件组螺旋桨减速器和机匣等部件组成。成。活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理1气缸；气缸；2-活塞；活塞；3-进气门；进气门；4-进气进气阀；阀；5-排气门；排气门；6-排气阀；排气阀；7-连杆；连杆；8-曲轴曲轴活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理“进气冲程进气冲程”进进气气门门打开，排气打开，排气门门关关闭闭，活塞从上死点向下滑，活塞从上死点向下滑动动到下到下死点死点为为止，气缸内的容止，气缸内的容积积逐逐渐渐增大，气增大，气压压降低降低低于低于外面的大气外面的大气压压。新。新鲜鲜的汽油和空气的混合气体，的汽油和空气的混合气体，通通过过打打开的开的进进气气门门被吸入气缸内。被吸入气缸内。活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理“压缩冲程压缩冲程”曲曲轴轴靠靠惯惯性作用把活塞由下死点向上推性作用把活塞由下死点向上推动动，进进气气门门和和排气排气门门关关闭闭，气缸内容气缸内容积积逐逐渐渐减少，混合气体受到活减少，混合气体受到活塞的塞的强强烈烈压缩压缩。被。被压缩压缩在在“燃燃烧烧室室”。压压强强到十个大气到十个大气压压。温度到温度到摄摄氏氏4OO度左右。度左右。活塞航空活塞航空发动发动机的机的压缩压缩比大比大约约是是5到到8，压缩压缩比越大，比越大，气体被气体被压缩压缩得越得越厉厉害，害，发动发动机机产产生的功率也就越大。生的功率也就越大。活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理“工作冲程工作冲程”压缩压缩冲程冲程结结束，活塞接近上死点束，活塞接近上死点时时，气缸，气缸头头上的火花塞上的火花塞通通过过高高压电产压电产生了生了电电火花，将混合气体点燃，燃火花，将混合气体点燃，燃烧时间烧时间很短，大很短，大约约0.015秒；但是速度很快，大秒；但是速度很快，大约约达到每秒达到每秒30米。米。压压强强可达可达6O到到75个大气个大气压压，温度，温度达达摄摄氏氏2000到到250O度。燃气加到活塞上的冲度。燃气加到活塞上的冲击击力可达力可达15吨。吨。工作冲程工作冲程是使是使发动发动机能机能够够工作而工作而获获得得动动力的唯一冲程。其余力的唯一冲程。其余三个冲程都是三个冲程都是为这为这个冲程作准个冲程作准备备的。的。活塞式发动机的工作原理活塞式发动机的工作原理“排气冲程排气冲程”工作冲程工作冲程结结束后，由于束后，由于惯惯性，曲性，曲轴继续轴继续旋旋转转，使活塞由，使活塞由下死点向上运下死点向上运动动。这时进这时进气气门门仍关仍关闭闭，排气，排气门门大开，燃大开，燃烧烧后的后的废废气便通气便通过过排气排气门门向外排出。然后排气向外排出。然后排气门门关关闭闭，进进气气门门打开，活塞又由上死点下行，开始了新的一次循打开，活塞又由上死点下行，开始了新的一次循环环。这这是一是一 种周而复始的运种周而复始的运动动。由于其中包含着。由于其中包含着热热能到机能到机械能的械能的转转化，又叫做化，又叫做“热热循循环环”。活塞式发动机的活塞式发动机的辅助工作系统辅助工作系统进进气系气系统统 进进气系气系统统内常装有增内常装有增压压器来增大器来增大进进气气压压力，以此改力，以此改善高空性能。善高空性能。燃料系燃料系统统 燃料系燃料系统统由燃料由燃料泵泵、气化器或燃料、气化器或燃料喷喷射装置等射装置等组组成。成。燃料燃料泵泵将汽油将汽油压压人气化器，汽油在此人气化器，汽油在此雾雾化并与空气混合化并与空气混合进进入气缸。入气缸。发动机除主要部件外，还须有若干辅助系统与之配合才能工作。发动机除主要部件外，还须有若干辅助系统与之配合才能工作。活塞式发动机的活塞式发动机的辅助工作系统辅助工作系统点火系点火系统统 点火系点火系统统由磁由磁电电机机产产生的高生的高压电压电在在规规定的定的时间产时间产生生电电火花，将气缸内的混合气体点燃。火花，将气缸内的混合气体点燃。冷却系冷却系统统 发动发动机内燃料燃机内燃料燃烧时产烧时产生的生的热热量除量除转转化化为动为动能和排能和排出的出的废废气所气所带带走的部分内能外，走的部分内能外，还还有很大一部分有很大一部分传给传给了了气缸壁和其他有关机件。冷却系气缸壁和其他有关机件。冷却系统统的作用就是将的作用就是将这这些些热热量散量散发发出去，以保出去，以保证发动证发动机的正常工作。机的正常工作。活塞式发动机的活塞式发动机的辅助工作系统辅助工作系统启启动动系系统统 将将发动发动机机发动发动起来，需要借助外来起来，需要借助外来动动力，通常用力，通常用电电动动机机带动带动曲曲轴转动轴转动使使发动发动机机动动。定定时时系系统统 定定时时系系统统是由曲是由曲轴带动轴带动凸凸轮盘轮盘推推动连动连杆和杆和摇摇臂，定臂，定时时将将进进气活气活门门和排气活和排气活门门开启和关开启和关闭闭的系的系统统。活塞式发动机的活塞式发动机的两种典型的冷却方式两种典型的冷却方式：V形形排列排列星形星形排列排列热机热机活塞式发动机是热机活塞式发动机是热机但本身不能产生推力，只能从轴上但本身不能产生推力，只能从轴上输出功率带动螺旋桨，由螺旋桨产输出功率带动螺旋桨，由螺旋桨产生推力，所以螺旋桨称为推进器。生推力，所以螺旋桨称为推进器。活塞式发动机活塞式发动机(热机热机)加螺旋桨加螺旋桨(推进器推进器)称为活塞式动力装置。称为活塞式动力装置。螺旋桨的构造与工作原理螺旋桨的构造与工作原理：活塞式活塞式发动发动机必机必须带动须带动螺旋螺旋桨桨，由螺旋，由螺旋桨产桨产生推（拉）生推（拉）力。作力。作为飞为飞机的机的动动力装置，力装置，发动发动机与螺旋机与螺旋桨桨是不能分割的。是不能分割的。螺旋桨的构造与工作原理螺旋桨的构造与工作原理：螺旋桨的型式螺旋桨的型式：螺旋桨的构造与工作原理螺旋桨的构造与工作原理：螺旋桨从构造上分为：螺旋桨从构造上分为：定矩螺旋桨和变距螺旋桨定矩螺旋桨和变距螺旋桨定矩螺旋桨定矩螺旋桨是桨叶角固定的螺旋桨。它应用在飞是桨叶角固定的螺旋桨。它应用在飞行速为行速为200km/h以下的小飞机上。以下的小飞机上。变矩螺旋桨变矩螺旋桨是桨叶角可改变的螺旋桨。它应用在飞是桨叶角可改变的螺旋桨。它应用在飞行速大于行速大于200km/h的大飞机上。的大飞机上。螺旋桨的构造与工作原理螺旋桨的构造与工作原理：航空活塞式航空活塞式发动发动机主要性能指机主要性能指标标：活塞式发动机的主要要求是重量轻、功率大、尺寸小活塞式发动机的主要要求是重量轻、功率大、尺寸小和耗油省等，因此活塞式发动机的主要性能指标有以和耗油省等，因此活塞式发动机的主要性能指标有以下几个：下几个：(1)发动机功率发动机功率 (2)功率重量比功率重量比 (3)燃料消耗率燃料消耗率 活塞式航空发动机发展阶段活塞式航空发动机发展阶段 逐步退出主要航空领逐步退出主要航空领域，广泛应用在轻型低域，广泛应用在轻型低速飞机和直升机上。速飞机和直升机上。气冷发动机发展迅速，气冷发动机发展迅速，发动机的性能提高很快，发动机的性能提高很快，达到其发展的顶峰。达到其发展的顶峰。液冷发动机液冷发动机 居主导地位居主导地位早期早期两次世界两次世界大战期间大战期间喷气时代喷气时代活塞式航空发动机的发展活塞式航空发动机的发展v 活塞式航空发动机发展早期，法国处于领先地位。当时装备伊斯潘诺活塞式航空发动机发展早期，法国处于领先地位。当时装备伊斯潘诺-西扎西扎V V型型液冷发动机的液冷发动机的 斯佩德斯佩德 战斗机的功率已达战斗机的功率已达130220kW,130220kW,功重比为功重比为0.7kW/daN0.7kW/daN左右。左右。飞机速度超过飞机速度超过200km/h200km/h，升限，升限6650m6650m。v 在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kW10 kW增加增加到到2500 kW2500 kW左右，功率重量比从左右，功率重量比从0.11 kW/daN 0.11 kW/daN 提高到提高到1.5 kW/daN1.5 kW/daN左右，升功率从左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约0.50 kg/(kW0.50 kg/(kWh)h)降低到降低到0.230.27 0.230.27 kg/(kWkg/(kWh)h)。翻修寿命从几十小时延长到。翻修寿命从几十小时延长到20003000h20003000h。到第二次世界大战结束时，。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/h16km/h提高到近提高到近800 km/h800 km/h，飞行高度达到，飞行高度达到15000 m15000 m。v 涡轮喷气发动机的发明开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，涡轮喷气发动机的发明开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于但功率小于370 kW370 kW的水平对缸活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机的水平对缸活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例飞行者飞行者1号的活塞发动机号的活塞发动机R-2800普普惠公司惠公司生产的双排生产的双排双黄蜂双黄蜂，属，属于气冷星型发动机。这于气冷星型发动机。这种发动机在航空史上占种发动机在航空史上占有特殊的地位。有特殊的地位。活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例P-47P-47，绰号，绰号“雷电雷电”，装备，装备R-2800R-2800发动机，是美国共和飞机公司研发动机，是美国共和飞机公司研制的战斗机。该种机型产量达到制的战斗机。该种机型产量达到1568315683架，是美国战斗机史上生产量架，是美国战斗机史上生产量最大的飞机之一。最大的飞机之一。活活塞塞式式航航空空发发动动机机举举例例R-3350R-3350，莱特公司生产的双，莱特公司生产的双排气冷星型发动机，排气冷星型发动机，19411941年投入使用，开始时功率为年投入使用，开始时功率为2088kW2088kW，主要用于著名的，主要用于著名的B-29B-29空中堡垒空中堡垒 战略轰炸机。战略轰炸机。活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例B-29B-29战略轰炸机，装备战略轰炸机，装备莱特公司的莱特公司的R-3350R-3350发动发动机。世称机。世称“超级空中堡超级空中堡垒垒”“”“史上最强的轰炸史上最强的轰炸机机”，在轰炸东京等二，在轰炸东京等二战及之后的战场都可以战及之后的战场都可以看到他的身影，广岛和看到他的身影，广岛和长崎的两次原子弹袭击，长崎的两次原子弹袭击，B-29B-29也是空中平台也是空中平台。活塞式航空发动机举例活塞式航空发动机举例v 由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于主要航空领域，但功率小于370 kW的水平对缸活塞式发动机发动机仍广泛的水平对缸活塞式发动机发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。机、私人飞机和各种无人机。v 美国美国NASA已经实施了一项通用航空推进计划，为未来安全舒适、操作已经实施了一项通用航空推进计划，为未来安全舒适、操作简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。方案是用狄塞尔循环活塞简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。方案是用狄塞尔循环活塞式发动机，用它的飞机有式发动机，用它的飞机有4个座位，速度偏低。对发动机的要求为：个座位，速度偏低。对发动机的要求为：功率功率为为150 kW；耗油率耗油率0.22 kg/(kWh)；满足未来的排放要求；满足未来的排放要求；制造和维修制造和维修成本降低一半。到成本降低一半。到2000年，该计划已经进行了年，该计划已经进行了500h以上的发动机地面试验，以上的发动机地面试验，功率达到功率达到130 kW，耗油率，耗油率0.23 kg/(kWh)。喷气时代的活塞式发动机喷气时代的活塞式发动机燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机原理原理 空气喷气发动机空气喷气发动机牛顿第三定律牛顿第三定律 -作用力等于反作用力作用力等于反作用力 喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出。在此过程中，发动机向气体施加力，燃烧后高速喷出。在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。飞机前进。喷气发动机的推重比喷气发动机的推重比 推力和推力和发动发动机的机的净净重重之比，称之比，称为发动为发动机的推重机的推重比比。推重比是一个推重比是一个综综合性合性的性能指的性能指标标，它不，它不仅仅体体现现喷喷气气发动发动机在气机在气动热动热力循力循环环方面的水平，也体方面的水平，也体现现了了结结构方面的构方面的设计设计水平。目水平。目前，高性能的加力式前，高性能的加力式涡轮涡轮风风扇扇发动发动机的推重比可达机的推重比可达810。喷气发动机的热效率喷气发动机的热效率喷气发动机是热机的一种。热机是连续不断地将热能转喷气发动机是热机的一种。热机是连续不断地将热能转换为机械能的动力装置。热机的热效率为输出的机械能与输换为机械能的动力装置。热机的热效率为输出的机械能与输入的热能的比值。根据热力学第二定律，这个比值应小于入的热能的比值。根据热力学第二定律，这个比值应小于1。获得机械能的过程是通过气体膨胀做功，但是，膨胀是获得机械能的过程是通过气体膨胀做功，但是，膨胀是有限度的，必须在膨胀后使其恢复到初始状态，才能进行下有限度的，必须在膨胀后使其恢复到初始状态，才能进行下一次做功，以获得连续的机械能输出。一次做功，以获得连续的机械能输出。对于航空喷气发动机来讲，虽然其循环并非严格卡诺循对于航空喷气发动机来讲，虽然其循环并非严格卡诺循环，但这一原则同样有效。因为发动机的燃气直接排到空气环，但这一原则同样有效。因为发动机的燃气直接排到空气中，低温热源温度很难降低，只有提高高温热源的温度，即中，低温热源温度很难降低，只有提高高温热源的温度，即提高燃气从燃烧室进入到涡轮前的温度，这样才能提高发动提高燃气从燃烧室进入到涡轮前的温度，这样才能提高发动机的热效率。机的热效率。喷气发动机的推进效率喷气发动机的推进效率喷气发动机既是发动机又是推进器，因此就存在一个推进喷气发动机既是发动机又是推进器，因此就存在一个推进效率的问题。所谓推进效率，就是指发动机传递给飞行器效率的问题。所谓推进效率，就是指发动机传递给飞行器的推进功率与其产生的总机械功率之比，即：的推进功率与其产生的总机械功率之比，即：推进效率推进效率=传给飞行器的推进功率传给飞行器的推进功率/进排气的机械能之差进排气的机械能之差根据计算可知，发动机的推进效率仅与进气速度（等于飞根据计算可知，发动机的推进效率仅与进气速度（等于飞机飞行速度）和排气速度有关：机飞行速度）和排气速度有关：推进效率推进效率=2/(1+排气速度排气速度/进气速度进气速度)由此可见，喷气发动机的推进效率由排气速度和飞行速度由此可见，喷气发动机的推进效率由排气速度和飞行速度的比值决定，比值越大，推进效率越低。的比值决定，比值越大，推进效率越低。航空燃气涡轮发动机的基本类型航空燃气涡轮发动机的基本类型按照做功方式分五种基本类型按照做功方式分五种基本类型v涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（涡喷涡喷）（）（WP）v涡轮螺浆发动机（涡轮螺浆发动机（涡浆涡浆）（）（WJ）v涡轮风扇发动机（涡轮风扇发动机（涡扇涡扇）（）（WS）v涡轮轴发动机（涡轮轴发动机（涡轴涡轴）（）（WZ）v螺浆风扇发动机（螺浆风扇发动机（浆扇浆扇）(JS)燃气涡轮发动机时期从第二次世界大战结束至今。燃气涡轮发动机时期从第二次世界大战结束至今。60年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代，居航空动力的主导地位。在技术发展的推了喷气时代，居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一的飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。个又一个新的台阶。燃气涡轮发动机时期概况燃气涡轮发动机时期概况 燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，它主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。按核心机出口它主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。按核心机出口燃气可用能量的利用方式不同，燃气涡轮发动机分为燃气可用能量的利用方式不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮桨扇发动机、涡轮轴发动机和垂直起落发动机等。涡轮桨扇发动机、涡轮轴发动机和垂直起落发动机等。涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（WP）涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（WPWP）涡轮喷气发动机仍属于热机涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，因此，从产生输出能量的一种，因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动阶段，不同的是，在活塞式发动机中这机中这4 4个阶段是分时依次进行的，个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行但在喷气发动机中则是连续进行的，气体依次流经喷气发动机的的，气体依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动各个部分，就对应着活塞式发动机的四个工作位置。机的四个工作位置。工作原理：工作原理：主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，燃气涡轮，尾喷管，主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，燃气涡轮，尾喷管，(加力燃烧室加力燃烧室)核心发动机（燃气发生器）：压气机、燃烧室、燃气涡轮核心发动机（燃气发生器）：压气机、燃烧室、燃气涡轮 特点：特点：(1)涡轮只带动压气机压缩空气。涡轮只带动压气机压缩空气。(2)发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所产生的反作用力。发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所产生的反作用力。涡轮喷气发动机结构：涡轮喷气发动机结构：进气道进气道压气机压气机燃烧室燃烧室涡轮涡轮尾喷管尾喷管加力燃烧室加力燃烧室（涡轮和尾喷管之间）（涡轮和尾喷管之间）F-110发动机发动机进气道系统进气道系统 根据飞行速度的不同，分为亚声速进气道和超声速进气道。根据飞行速度的不同，分为亚声速进气道和超声速进气道。压气机压气机压气机压气机离心式压气机工作叶轮离心式压气机工作叶轮轴流压气机轴流压气机压气机工作叶片压气机工作叶片 轴流压气机的轴流压气机的转子转子和和静子静子燃烧室燃烧室功用：是燃料与从压气机出来的高压空气混合燃烧的地方。功用：是燃料与从压气机出来的高压空气混合燃烧的地方。燃料燃料(航空煤油航空煤油)燃烧后，燃料的化学能转变为内能，气体温燃烧后，燃料的化学能转变为内能，气体温度和压力升高。高温、高压的气体冲向涡轮，驱动涡轮旋转度和压力升高。高温、高压的气体冲向涡轮，驱动涡轮旋转而发出功率。而发出功率。基本结构形式：由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套组成基本结构形式：由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套组成。典型结构：单管燃烧室、联管燃烧室、环管燃烧室典型结构：单管燃烧室、联管燃烧室、环管燃烧室燃烧室的组成和工作原理燃烧室的组成和工作原理涡轮涡轮功用：是将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变功用：是将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变为机械能。燃气从燃烧室流出后，冲击涡轮使其高速为机械能。燃气从燃烧室流出后，冲击涡轮使其高速旋转产生机械能。涡轮的机械能以轴功率的形式输出，旋转产生机械能。涡轮的机械能以轴功率的形式输出，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件转动。燃气经驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件转动。燃气经过涡轮后，温度及压力骤然下降，速度渐增。从涡轮过涡轮后，温度及压力骤然下降，速度渐增。从涡轮流出的燃气流向尾喷管，由尾喷管喷出产生推力。流出的燃气流向尾喷管，由尾喷管喷出产生推力。涡轮典型结构：涡轮典型结构：涡轮涡轮涡涡轮轮叶叶片片散散热热加力燃烧室加力燃烧室尾喷管尾喷管功用：燃气膨胀加速产生反推力、抑制噪音和红外辐射。功用：燃气膨胀加速产生反推力、抑制噪音和红外辐射。典型结构：典型结构：尾喷管尾喷管尾尾喷管内部：后燃器的火焰管内部：后燃器的火焰环SU-27 尾尾喷管管国产涡喷国产涡喷-7发动机及剖视图发动机及剖视图 He-178 He-178，世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开创了喷气推进新，世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开创了喷气推进新时代和航空事业的新纪元。该飞机装配了德国奥海因研制成功的离时代和航空事业的新纪元。该飞机装配了德国奥海因研制成功的离心式涡轮喷气发动机心式涡轮喷气发动机HeS3BHeS3B，发动机推力为，发动机推力为490daN490daN，推重比，推重比1.381.38。奥林帕斯奥林帕斯593593涡喷发动机，最涡喷发动机，最大推力达到大推力达到17000daN17000daN。是英国罗。是英国罗尔斯尔斯罗伊斯公司布里斯托尔分公罗伊斯公司布里斯托尔分公司和法国司和法国SNECMASNECMA公司为公司为“协和协和”号飞机共同研制的，号飞机共同研制的，19651965年首次运年首次运转，转，19681968年开始调试，年开始调试，19731973年定型，年定型，19761976年年1 1月投入使用。月投入使用。协和式飞机，英协和式飞机，英国和法国联合研制的国和法国联合研制的超音速客机，最大飞超音速客机，最大飞行速度行速度2.042.04马赫，巡马赫，巡航高度航高度1800018000米。米。19691969年，第一架协年，第一架协和超音速客机诞生，和超音速客机诞生，19761976年年1 1月月2121日投入日投入商业飞行。商业飞行。20032003年年1010月月2424日，协和式日，协和式飞机执行了最后一次飞机执行了最后一次飞行，全部退役。飞行，全部退役。v 随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动机的基础上，又发展了多种喷气发动机，如根据增压技机的基础上，又发展了多种喷气发动机，如根据增压技术的不同，有冲压发动机和脉动发动机；术的不同，有冲压发动机和脉动发动机；根据能量输出根据能量输出的不同，有涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机、涡轮的不同，有涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机和螺桨风扇发动机轴发动机和螺桨风扇发动机等。等。v 喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机，喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机，但其优异的高速性能使其迅速取代了后者，成为航空发但其优异的高速性能使其迅速取代了后者，成为航空发动机的主流。动机的主流。v 涡扇发动机的发展源于第二次世界大战。世界上第一台运转的涡轮涡扇发动机的发展源于第二次世界大战。世界上第一台运转的涡轮风扇发动机是德国戴姆勒风扇发动机是德国戴姆勒-奔驰研制的奔驰研制的DB670(DB670(或或109-007)109-007)，于，于19431943年年4 4月在实验台上达到月在实验台上达到840840千克推力。第一种批量生产的涡扇发动机是千克推力。第一种批量生产的涡扇发动机是19591959年定型的英国康维，推力为年定型的英国康维，推力为5730daN5730daN。v 以后，涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用以后，涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，英美研发动机的两个方向发展。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，英美研制出斯贝制出斯贝-MK202-MK202和和TF30TF30，分别用于英国购买的，分别用于英国购买的 鬼怪鬼怪F-4M/KF-4M/K战斗机和战斗机和美国的美国的F111F111。在。在70807080年代，各国研制出推重比年代，各国研制出推重比8 8一级的涡扇发动机，一级的涡扇发动机，装备在一线的第三战斗机，如装备在一线的第三战斗机，如F-15F-15、F-16F-16、F-18F-18、狂风狂风、米格、米格-29-29和苏和苏-27-27。具备第四代战斗机特征的战机，如美国的。具备第四代战斗机特征的战机，如美国的F-22/F119F-22/F119等，装备的则等，装备的则是推重比是推重比1010一级的涡扇发动机。一级的涡扇发动机。涡轮风扇发动机（涡轮风扇发动机（WSWS）v主要部件：主要部件：风扇、外涵道、内涵道（压气机、燃烧室、涡轮），尾喷管风扇、外涵道、内涵道（压气机、燃烧室、涡轮），尾喷管特点：发动机的推力是特点：发动机的推力是 内外涵道气流反内外涵道气流反 作用力的总和。作用力的总和。涵道比（流量比）：涵道比（流量比）：外、内涵道空气质量外、内涵道空气质量 流量之比。流量之比。v 依据涵道比划分，涡扇发动机分为低涵道比（依据涵道比划分，涡扇发动机分为低涵道比（1.0 以以下）、中等涵道比（下）、中等涵道比（1.0 3.0）和高涵道比（）和高涵道比（3.0 以上）以上）三类。三类。涡轮风扇发动机的涵道比涡轮风扇发动机的涵道比 涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的的基础上增加了涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的的基础上增加了几级涡轮，并由这些涡轮带动一排或几排风扇，风扇后的气几级涡轮，并由这些涡轮带动一排或几排风扇，风扇后的气流分为两部分，一部分进入压气机（内涵道），另一部分则流分为两部分，一部分进入压气机（内涵道），另一部分则不经过燃烧，直接排到空气中（外涵道）。内外涵道的协同不经过燃烧，直接排到空气中（外涵道）。内外涵道的协同作用可以很好的解决热效率和推进效率之间的矛盾。作用可以很好的解决热效率和推进效率之间的矛盾。依据排气方式划分，涡扇发动机分为分开排气和混合依据排气方式划分，涡扇发动机分为分开排气和混合排气两类。排气两类。依据转子数目划分，分为单轴、双轴和三轴三类。依据转子数目划分，分为单轴、双轴和三轴三类。按是否带加力燃烧室，分为加力与不加力涡扇发动机。按是否带加力燃烧室，分为加力与不加力涡扇发动机。现役的第三代战斗机采用的都是低涵道比双轴混合排现役的第三代战斗机采用的都是低涵道比双轴混合排气加力涡轮风扇发动机。气加力涡轮风扇发动机。大型运输机和远程轰炸机多采用大涵道比双轴分开排大型运输机和远程轰炸机多采用大涵道比双轴分开排气涡扇发动机。气涡扇发动机。不加力涡轮风扇发动机不加力涡轮风扇发动机主要用于高亚音速运输机主要用于高亚音速运输机加力式涡轮风扇发动机加力式涡轮风扇发动机主要用于歼击机主要用于歼击机涵道比等于涵道比等于5的高涵道比涡轮风扇发动机的高涵道比涡轮风扇发动机 GP7000 大涵道比涡轮风扇发动机大涵道比涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机实例涡轮风扇发动机实例F22 F22“猛禽猛禽”战斗机战斗机苏苏-27-27，绰号，绰号 侧卫侧卫 波音波音747-100747-100宽体宽体客机，装备普惠客机，装备普惠公司公司JT9D-3JT9D-3涡扇涡扇发动机，涵道比发动机，涵道比为为5.25.2。涡轮风扇发动机实例涡轮风扇发动机实例涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJWJ）v 第一台涡轮螺旋桨发动机为匈牙利于第一台涡轮螺旋桨发动机为匈牙利于19371937年年设计、设计、19401940年试运转的年试运转的 Jendrassik Cs-1 Jendrassik Cs-1。美国在。美国在19561956年服役的涡桨发动机年服役的涡桨发动机T56/501T56/501，装于，装于C-130C-130运运输机、输机、P3-CP3-C侦察机和侦察机和E-2CE-2C预警机。它的功率范围预警机。它的功率范围为为258025804414 kW4414 kW，是世界上生产数量最多的涡，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一，至今还在生产桨发动机之一，至今还在生产 。v 螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮制，在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。机上仍有一席之地。涡轮螺旋桨发动机的结构涡轮螺旋桨发动机的结构 涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动。工作原理与涡轮风扇发动机近似，但产生桨由涡轮带动。工作原理与涡轮风扇发动机近似，但产生动力方面却有着很大的不同，涡轮螺旋桨发动机的主要功动力方面却有着很大的不同，涡轮螺旋桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率。率输出方式为螺旋桨的轴功率。涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气流量也远大于内涵道，因此这种发动机实际上相当于一台流量也远大于内涵道，因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。超大涵道比的涡轮风扇发动机。涡轮螺旋桨发动机的工作原理涡轮螺旋桨发动机的工作原理涡轮螺旋桨发动机实例涡轮螺旋桨发动机实例美