航空燃气轮机结构设计概论.ppt

航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机结构设计结构设计2006年3月1航空发动机结构设计无人机母机系统研制无人机母机系统研制2006年3月2航空发动机结构设计高空无人驾驶侦察机高空无人驾驶侦察机2006年3月3航空发动机结构设计涡喷涡喷-11B发动机发动机2006年3月4航空发动机结构设计航空燃气涡轮发动机结构航空燃气涡轮发动机结构v目的目的:v了解和掌握发动机结构设计的了解和掌握发动机结构设计的v基本原则基本原则v分析方法分析方法v存在的主要矛盾存在的主要矛盾v各种解决措施各种解决措施2006年3月5航空发动机结构设计航空燃气涡轮发动机结构航空燃气涡轮发动机结构v特点特点:v涉及面广涉及面广 系统性不强系统性不强 工程性强工程性强 不断发展不断发展2006年3月6航空发动机结构设计航空燃气涡轮发动机结构航空燃气涡轮发动机结构v要求要求:学会读图学会读图 分析方法分析方法 多看实物多看实物 掌握各部件的设计特点掌握各部件的设计特点2006年3月7航空发动机结构设计第一讲航空发动机发展一、航空燃气涡轮发动机分类一、航空燃气涡轮发动机分类v涡轮螺桨发动机涡轮螺桨发动机v涡轮轴发动机涡轮轴发动机v地面燃气轮机地面燃气轮机v涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机v涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机2006年3月9航空发动机结构设计1.涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJ）2006年3月10航空发动机结构设计1.涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJ）v安安70超大型运输机超大型运输机2006年3月11航空发动机结构设计1.涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJ）v特征：特征：v不直接产生推力，通过不直接产生推力，通过减速器减速器带动螺旋桨；带动螺旋桨；v螺桨转速不变，螺桨转速不变，桨角桨角变化，得到不同推力；变化，得到不同推力；v发动机在高发动机在高亚音飞行亚音飞行时，热力效率高；时，热力效率高；v用于用于低速低速运输机及轻型飞机。运输机及轻型飞机。2006年3月12航空发动机结构设计1.涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJ）2006年3月13航空发动机结构设计1.涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（WJ）v涡轮螺桨发动机结构简图涡轮螺桨发动机结构简图2006年3月14航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）Boeing AH-64D Apache Longbow Sikorsky UH-60L Black Hawkv带有两级减速器；用于直升飞机上带有两级减速器；用于直升飞机上2006年3月15航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）2006年3月16航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）慕尼黑涡轮联合公司慕尼黑涡轮联合公司/透博梅卡透博梅卡/罗罗罗罗MTR3902006年3月17航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）vT-700 涡轴发动机涡轴发动机2006年3月18航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）2006年3月19航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）2006年3月20航空发动机结构设计2.涡轮轴发动机涡轮轴发动机（WZ）2006年3月21航空发动机结构设计3.地面用燃气轮机地面用燃气轮机油田灭火机2006年3月22航空发动机结构设计3.地面用燃气轮机地面用燃气轮机野外发电机2006年3月23航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v用于用于歼六歼六 强五强五涡喷六（涡喷六（WP-6）发动机）发动机2006年3月24航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)2006年3月25航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)2006年3月26航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)2006年3月27航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机进气道v 作用、作用、结构、结构、工作特点工作特点v 防止外物打伤；防冰防止外物打伤；防冰2006年3月28航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机压气机v作用作用:v提高进入燃烧室的空气压力提高进入燃烧室的空气压力v重要参数重要参数:v增压比增压比(P出口出口/P进口进口)v影响发动机性能好坏的一个主要参数影响发动机性能好坏的一个主要参数2006年3月29航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机燃烧室v作用、特点、构造作用、特点、构造2006年3月30航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮v作用：作用：v燃气膨胀作功驱动压气机燃气膨胀作功驱动压气机v组成：组成：v静子静子 转子转子v特点：特点：v高温、高转速高温、高转速v涡轮前燃气温度涡轮前燃气温度影响发动机性能好坏的一个重影响发动机性能好坏的一个重要参数要参数2006年3月31航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮v燃气在涡轮叶片中流动燃气在涡轮叶片中流动2006年3月32航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机尾喷管v作用：作用：v燃气膨胀以高速燃气膨胀以高速(550-600 米米/秒秒)喷出喷出2006年3月33航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v气流在发动机进、出口的变化气流在发动机进、出口的变化v进气速度为零，排气速度大增进气速度为零，排气速度大增v根据牛顿第三定律，这股流过发动机的气流产根据牛顿第三定律，这股流过发动机的气流产生发动机的推力。生发动机的推力。2006年3月34航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v发动机的推力发动机的推力 T T=G空气空气(W出口出口W进口进口)/gG空气空气:每秒流进发动机的空气量，每秒流进发动机的空气量，kg/sW出口出口:尾喷管流出的燃气速度，尾喷管流出的燃气速度，m/sW进口进口:流进发动机的空气速度，流进发动机的空气速度，m/s2006年3月35航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v加力燃烧室加力燃烧室v装在涡轮后，短期供入燃油燃烧装在涡轮后，短期供入燃油燃烧,使排气温度、使排气温度、速度增加，增加发动机推力。速度增加，增加发动机推力。2006年3月36航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v经济性差经济性差v高温、高速燃气由尾喷管排出，能量量损失大，高温、高速燃气由尾喷管排出，能量量损失大，因此经济性差。因此经济性差。v 特别在开加力时，经济性更差。特别在开加力时，经济性更差。v耗油率耗油率 SFCv涡轮喷气发动机耗油率大，约涡轮喷气发动机耗油率大，约0.90 kg/kgf/h2006年3月37航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)2006年3月38航空发动机结构设计4.涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机-(WP)v在航空发展史中占有重要地位但存在在航空发展史中占有重要地位但存在着较大的缺点着较大的缺点v能否发展一种既能产生大的推力，经能否发展一种既能产生大的推力，经济性又好的发动机济性又好的发动机?2006年3月39航空发动机结构设计5.涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机-(WS)2006年3月40航空发动机结构设计涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机v特征：特征：v将涡轮出来的燃气再流入一个涡轮，在涡轮中将涡轮出来的燃气再流入一个涡轮，在涡轮中膨胀作功，向前驱动一个直径比原有压气机大膨胀作功，向前驱动一个直径比原有压气机大的风扇的风扇(结构同于压气机结构同于压气机)v风扇出来的空气一部分流入压气机风扇出来的空气一部分流入压气机(称内涵称内涵)，一部分由压气机外部流过，一部分由压气机外部流过(称外涵称外涵)2006年3月41航空发动机结构设计涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机v特征（续）特征（续）v由尾喷管喷出的燃气速度低了，内涵推力小了由尾喷管喷出的燃气速度低了，内涵推力小了v外涵气流也产生推力外涵气流也产生推力v推力大了，排出的能量小了推力大了，排出的能量小了v 耗油率低了，耗油率低了，比涡喷约低比涡喷约低1/3涡扇发动机推力涡扇发动机推力=内涵推力内涵推力+外涵推力外涵推力 涡喷发动机推力涡喷发动机推力2006年3月42航空发动机结构设计波音波音707飞机性能的变化飞机性能的变化v起飞滑跑距离减少起飞滑跑距离减少 29.4%v最大航程增加最大航程增加 27.6%v爬升率提高爬升率提高 110%v最大巡航速度提高最大巡航速度提高 8.2%v用JT3D涡扇换装JT3C涡喷2006年3月43航空发动机结构设计涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机v60年代初期研制成功后，很快被民航客机广泛采年代初期研制成功后，很快被民航客机广泛采用用v飞机飞机v波音波音707、波音、波音727、波音、波音737、三叉戟、快帆，、三叉戟、快帆，伊尔伊尔62、图、图154、DC-9v发动机发动机vJT3D、JT8D、康维、斯贝、康维、斯贝、D-30。2006年3月44航空发动机结构设计涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机v循环参数循环参数v总压比总压比v涡轮前燃气温度涡轮前燃气温度v涵道比涵道比2006年3月45航空发动机结构设计涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机军用v特征特征v在高性能战斗机上的应用在高性能战斗机上的应用v要求：要求：v迎风面积小，推重比大迎风面积小，推重比大v发展发展v先进的核心机，采用小涵道比，再装上加力燃先进的核心机，采用小涵道比，再装上加力燃烧室。烧室。2006年3月46航空发动机结构设计加力式涡轮风扇发动机加力式涡轮风扇发动机v 起飞推力大起飞推力大v加力比加力比(加力推力加力推力/不加力推力不加力推力)大大v巡航耗油率低巡航耗油率低v减少迎风面积适合战斗机减少迎风面积适合战斗机 2006年3月47航空发动机结构设计加力式涡轮风扇发动机扇发动机加力式涡轮风扇发动机扇发动机 F-4“鬼怪鬼怪”式战斗机式战斗机 用涡扇用涡扇(斯贝斯贝MK202)换装涡喷换装涡喷(J79)后后 飞机性能的改进飞机性能的改进最大最大M数数 由由 2.22.4最大航程最大航程 54%加速到加速到M=2的时间的时间 1/3爬升到爬升到12000m的时间的时间 20%2006年3月48航空发动机结构设计加力式涡轮风扇发动机加力式涡轮风扇发动机v60年代后期采用高循环参数年代后期采用高循环参数v总压比总压比25、T31600Kv发展高性能核心机发展高性能核心机v研制成专为先进战斗机用的、推重比为研制成专为先进战斗机用的、推重比为8.0一一级级8的发动机的发动机 vF100-PW-100F-15(1974)2006年3月49航空发动机结构设计第第 3代战斗机的发动机代战斗机的发动机F100-PW-229 129.4 kN 推重比推重比=8.0 F110-GE-129 129.1 kN 推重比推重比=8.0AL-31F(-31)122.6 kN 推重比推重比=8.02006年3月50航空发动机结构设计第第4代战斗机的特点代战斗机的特点v高的敏捷性高的敏捷性v好的隐身性好的隐身性v短距起飞着陆能力短距起飞着陆能力v超声速巡航能力超声速巡航能力2006年3月51航空发动机结构设计 四代机对发动机的要求四代机对发动机的要求v推重比大于推重比大于 10.0v不开加力的最大推力不开加力的最大推力v 即中间推力要大即中间推力要大v采用矢量喷管采用矢量喷管 2006年3月52航空发动机结构设计X-35矢量喷口矢量喷口2006年3月53航空发动机结构设计F119矢量喷管矢量喷管2006年3月54航空发动机结构设计矢量喷口矢量喷口2006年3月55航空发动机结构设计苏苏37的超机动飞行的超机动飞行2006年3月56航空发动机结构设计苏苏27的眼镜蛇机动飞行的眼镜蛇机动飞行2006年3月57航空发动机结构设计苏苏37的钟状机动飞行的钟状机动飞行2006年3月58航空发动机结构设计F-22用发动机用发动机F119-PW-100 v总压比总压比 35 v涵道比涵道比 0.2v涡轮前燃气温度涡轮前燃气温度 18501950 Kv3+6_1+1 反向转动的双转子反向转动的双转子v推力推力 157.5 kNv推重比推重比 10.02006年3月59航空发动机结构设计 F119 与与 F100 比较比较v级数级数 17-11 少少 6 级级v零件数少零件数少 40%v中间推力大中间推力大 47%可使战斗机超声速巡航可使战斗机超声速巡航v巡航耗油率低巡航耗油率低 11%v 可靠性、维修性好可靠性、维修性好2006年3月60航空发动机结构设计第第 3.5代战斗机代战斗机 EF2000Rafale“阵风阵风”2006年3月61航空发动机结构设计第第3.5代战斗机的发动机代战斗机的发动机(1)vEJ200 推力推力88.3 kN 推重比推重比=10.02006年3月62航空发动机结构设计第第3.5代战斗机的发动机代战斗机的发动机(2)vM88-2 推力推力75 kN 推重比推重比=8.52006年3月63航空发动机结构设计联合攻击机联合攻击机JSF2006年3月64航空发动机结构设计联合攻击机联合攻击机 JSFv一机三型一机三型v一条生产线完成三型飞机生产一条生产线完成三型飞机生产一机三型一机三型v CTOL型型 常规起降常规起降 23 t 空军用空军用v STOVL短距起飞垂直降落型短距起飞垂直降落型 23 t 海军陆战队、英海军用海军陆战队、英海军用v CV即舰载型即舰载型 海军用海军用 较前二者重较前二者重2006年3月65航空发动机结构设计 联合攻击机联合攻击机 JSFv2010年服役年服役v将与将与F-22成为美国主力战斗机成为美国主力战斗机v投资约投资约160亿美元亿美元v计划生产计划生产3000架架v供英海军供英海军60架、英空军架、英空军200架架2006年3月66航空发动机结构设计 联合攻击机联合攻击机 JSFJSF 洛克西德洛克西德公司方案公司方案2006年3月67航空发动机结构设计JSF 波音公司方案波音公司方案 联合攻击机联合攻击机 JSF2006年3月68航空发动机结构设计 联合攻击机联合攻击机 JSFv F-35v2001年年10月月26日美空军宣布洛克希德日美空军宣布洛克希德.马丁的马丁的v X-35方案为方案为JSF的中标机型并命名为的中标机型并命名为F-352006年3月69航空发动机结构设计动力装置之一动力装置之一-洛克西德洛克西德公司公司2006年3月70航空发动机结构设计联合攻击机联合攻击机 JSF 2006年3月71航空发动机结构设计动力装置之二动力装置之二-波音公司波音公司2006年3月72航空发动机结构设计大涵道比涡扇发动机大涵道比涡扇发动机2006年3月73航空发动机结构设计大涵道比涡扇发动机大涵道比涡扇发动机v 60年代美国军方提出年代美国军方提出战略远程大型运输机战略远程大型运输机战略远程大型运输机战略远程大型运输机v起飞总重约起飞总重约350吨、航程约吨、航程约12000公里公里v要求发动机要求发动机v推力推力20000kgfv耗油率比中小涵道涡扇发动机低耗油率比中小涵道涡扇发动机低1/32006年3月74航空发动机结构设计高涵道比涡扇发动机高涵道比涡扇发动机v采用大风扇采用大风扇(高涵道比高涵道比)v增加低压涡轮级数增加低压涡轮级数v增加高压涡轮后的燃气能量增加高压涡轮后的燃气能量v高总压比、高涡轮前燃气温度高总压比、高涡轮前燃气温度v采用先进技术采用先进技术2006年3月75航空发动机结构设计 高涵道比涡扇发动机高涵道比涡扇发动机 采用三高指标采用三高指标v高涵道比高涵道比 5.0-8.0v高总压比高总压比 25-30v高涡轮前燃气温度高涡轮前燃气温度 1600-1650k推力推力18000-22000 kg耗油率比小涡扇低耗油率比小涡扇低1/32006年3月76航空发动机结构设计 高涵道比涡扇发动机特点高涵道比涡扇发动机特点v起飞推力大起飞推力大v耗油率低耗油率低v噪声低噪声低2006年3月77航空发动机结构设计第一代宽体客机第一代宽体客机 B7471970年年L1011(1972)DC-10(1971)2006年3月78航空发动机结构设计 高涵道比涡扇发动机高涵道比涡扇发动机v已在现代民机上广泛采用已在现代民机上广泛采用vA300、A310、A320、A330、A340,vB737、B747、B757、B767、B777,vA3XX B747-500X、vB717、A318、湾流湾流2006年3月79航空发动机结构设计波音波音777双发客机双发客机2006年3月80航空发动机结构设计波音波音777双发客机双发客机v波音波音777大型双发客机大型双发客机v1990年提出，年提出，1995年年6月投入营运月投入营运v对发动机的要求对发动机的要求v特大的推力：飞机起飞总重大于特大的推力：飞机起飞总重大于280吨吨v要求单台发动机推力大于要求单台发动机推力大于370450 kNv当时最大推力约为当时最大推力约为275 kNv特高的可靠性：双发客机航行任何航线特高的可靠性：双发客机航行任何航线v即要求投入航线营运之初获得即要求投入航线营运之初获得180分钟分钟 ETOPOS的的批准批准2006年3月81航空发动机结构设计用于用于B777的三种发动机的三种发动机 普惠普惠 PW GE90 Trent 4084 4098 -75B -92B -884 -8104 推力推力 kN 338 453 351 421 402 481涵道比涵道比 6.5 5.9 8.4 8.4 5.9 5.4总压比总压比 36.0 42.0 39.3 42.0 38.8 45风扇直径风扇直径 m 2.844 3.124 2.794耗油率耗油率 0.566 0.572 0.560 0.575取证时间取证时间 94.4 98.3 94.11 96.5 95.1 00.22006年3月82航空发动机结构设计两种巨型客机两种巨型客机 载客量载客量(三级布置三级布置)多于多于500人人 航程航程 1400016000 km 起飞重量起飞重量 大于大于 500 吨吨 机身长机身长 7086 m B747-500X、B747-600X A380-100、A380-2002006年3月83航空发动机结构设计 两种巨型客机两种巨型客机 对发动机的要求对发动机的要求 推力推力 340 kN级级 DOC 比比B747-400低低10%23%Trent 900(400 kN)GP7267/7275/7167 2006年3月84航空发动机结构设计俄罗斯的巨型客机俄罗斯的巨型客机-“俄罗斯之翼俄罗斯之翼”KP-860载客载客 860人人 航程航程 1200015000km起飞总重起飞总重 620650 吨吨翼展翼展 88 m 机身长机身长 80 m2006年3月85航空发动机结构设计俄罗斯的巨型运输机俄罗斯的巨型运输机 安安-225v 起飞重量起飞重量 600吨吨v 载重量载重量 250吨吨v 装有六台装有六台PS-90高涵道比高涵道比v 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机2006年3月86航空发动机结构设计高涵道比涡扇发动机高涵道比涡扇发动机v2001年年11月月19月月vGE-90推力达到推力达到 535 kN2006年3月87航空发动机结构设计航空发动机发展特点航空发动机发展特点v对产品的设计要求对产品的设计要求v适用性、可靠性、维修性适用性、可靠性、维修性v经济性、耐久性经济性、耐久性2006年3月88航空发动机结构设计航空发动机发展特点航空发动机发展特点v费用高、风险大费用高、风险大v多公司合作研制多公司合作研制v采用高的循环参数采用高的循环参数v留有较大的温度裕度留有较大的温度裕度v二种发展方式：全新设计二种发展方式：全新设计 改进衍生改进衍生v广泛采用先进技术广泛采用先进技术v采用并行或同期工程采用并行或同期工程2006年3月89航空发动机结构设计航空发动机发展特点航空发动机发展特点v进行广泛、苛刻的试验进行广泛、苛刻的试验 v元器件：元器件：v叶栅吹风、材料性能、强度、振动叶栅吹风、材料性能、强度、振动v部件：部件：v性能调试、强度、振动性能调试、强度、振动.（缩尺、全尺寸，模拟、真（缩尺、全尺寸，模拟、真实条件）实条件）v整机：整机：v地面条件（性能、耐久性），高空台中模拟高空高速地面条件（性能、耐久性），高空台中模拟高空高速条件，飞行试验台条件，飞行试验台,飞机飞机v环境：环境：v吞水、吞烟、吞冰雹、吞鸟吞水、吞烟、吞冰雹、吞鸟.2006年3月90航空发动机结构设计进行广泛、苛刻的试验进行广泛、苛刻的试验v吞水试验吞水试验v吞水量为空气吞水量为空气流量的流量的4%2006年3月91航空发动机结构设计 进行广泛、苛刻的试验进行广泛、苛刻的试验v 吞冰雹试验吞冰雹试验v吞冰雹量吞冰雹量 每每分钟大于分钟大于1000公斤公斤（GE90）2006年3月92航空发动机结构设计 进行广泛、苛刻的试验进行广泛、苛刻的试验v吞鸟试验吞鸟试验v大鸟：大鸟：4 磅（对于磅（对于B777则为则为 8磅）磅）2006年3月93航空发动机结构设计 进行广泛、苛刻的试验进行广泛、苛刻的试验v风扇叶片甩风扇叶片甩出试验出试验 v也称包容性也称包容性试验试验 是最危是最危险、最费钱险、最费钱的试验的试验2006年3月94航空发动机结构设计 发动机研制程序发动机研制程序1.三大部件三大部件(压气机、燃烧室、涡轮压气机、燃烧室、涡轮)2.核心机核心机(高压高压)核心机核心机+低压部件低压部件(风扇、低压涡轮、加力燃烧室风扇、低压涡轮、加力燃烧室)3.验证机验证机(技术、型号技术、型号)4.原型机原型机 调试调试(地面、高空台试车，飞行试验地面、高空台试车，飞行试验)5.达标，批准后批生产达标，批准后批生产6.改进改型改进改型2006年3月95航空发动机结构设计结结 束束 语语v航空发动机发展航空发动机发展迅猛迅猛v性能更好的新型机种性能更好的新型机种不断出现不断出现v希望希望同学们在学习期间，同学们在学习期间，加强加强基础理论基础理论、掌握掌握专业知识专业知识v关心国内、外航空事业的关心国内、外航空事业的发展动态发展动态v为今后的工作为今后的工作，打下良好的打下良好的基础基础。2006年3月96航空发动机结构设计