飞行器动力工程导论

飞行器动力工程导论 ————课程作业 姓名: 学号: 学院: 专业: 1、谈谈你对我校飞行器动力工程专业的认识 (1)作为我校在网络上推荐指数较高的专业之一的飞行器动力工程专业，是我校的特色专业，同时作为天津市的品牌专业，它以航空维修工程为特色，培养适应国内外现代民航发展需求，具备较高思想政治素质，掌握系统的航空发动机专业知识和扎实的航空维修及管理理论基础，具有较强的实际操作能力和严谨的工作作风，了解民航发展动态，能够从事航空发动机的运行监控、故障诊断、维护修理及维修管理等相关技术、管理工作，宽口径、厚基础、强能力、高素质，具有创新精神，德、智、体、美全面发展的应用型高级工程技术人才和管理人才。 (2)飞行器动力工程专业属于典型的工科专业，它分为两个方向:航空动力工程专业方向和航空器工程专业方向。其所涉及的课程包括:电工学、机械设计基础、工程热力学、气体动力学、航空发动机原理、航空发动机构造、航空发动机控制、机务工程英语、航空维修工程管理、发动机机队管理、航空发动机强度与振动、发动机状态监控与故障诊断、航空发动机维修技术、发动机失效、飞机结构与系统等。 (3)飞行器动力工程专业前景:中国的航空科学发展较晚，飞行器知识大部分源于国外，中国的航空技术还有许多不完善、有待改进或者创造的地方。中国急需航空技术人才，尤其是经过系统培训的高级应用型国际人才。因此航空技术职业市场广阔 (4)飞行器动力工程专业所培养的人才目标:了解民用航空科学与技术的前沿及发展趋势，具备较强的工程实践能力和严谨的工作作风。通过本专业的培养，使学生能够胜任民用航空器维修、制造、运行监控、故障诊断及维修管理等相关工程技术和管理工作，成为宽口径、厚基础、强能力、高素质，具有创新精神，德、智、体、美全面发展的高级工程技术人才和管理人才。为中国民航业培养和提供大批优秀的机务工程和管理人才，不断为民航业输送新鲜血液，推进中国民航业的快速发展。 (5)飞行器动力工程专业就业方向:航空公司运行、维护和技术管理部门、机场、航空器维修企业、适航管理部门以及高校、飞行器设计与制造与航空科研院所等单位，也可以继续攻读本专业或相关交叉学科的硕士学位。 2、简述航空燃气涡轮发动机的类型，分析各自的特点 航空燃气涡轮发动机主要分为5大类，分别是:涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和浆扇发动机。 (一) 涡轮喷气发动机 (1) 定义: 涡喷发动机是一种涡轮发动机。是完全依赖燃气流产生推力，通常用作 高速飞机的动力。油耗比涡轮扇发动机高。涡喷发动机分为离心式与轴流式 两种，离心式由英国人弗兰克?惠特尔爵士于1930年取得发明专利，但是 直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大 战，轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动 力参加了1944年末的战斗。 相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，但是需 要较高品质的材料——这在1945年左右是不存在的。当今的涡喷发动机均 为轴流式。 (2)结构特点: 气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。轴流式涡喷发动机的由进 主要结构如图，空气首先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气 道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构:压气机。进气道的主要作用就 是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。压气机由定子 叶片与转子叶片交错组成，一对定子叶片与转子叶片称为一级，定子固定在 发动机框架上，转子由转子轴与涡轮相连。空气经过压气机压缩后进入燃烧 室与煤油混合燃烧，膨胀做功;紧接着流过涡轮，推动涡轮高速转动。因为 涡轮与压气机转子连在一根轴上，所以压气机，压气机与涡轮的转速是一样 的。最后高温高速燃气经过喷管喷出，以反作用力提供动力。 (3)主要用途:军用飞机 (二) 涡轮风扇发动机 (1) 定义: 全称为涡轮风扇发动机是飞机发动机的一种，由涡轮喷气发动机发展 而成。 与涡轮喷气比较，主要特点是首级压缩机的面积大很多，同时被 用作为空气螺旋桨(扇)，将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向後推。 发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机 外侧部分称为外涵道。涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用， 因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。 (2) 结构特点: 涡轮风扇发动机由在压气机前安装的一级或多级风扇形成的外涵气 流与内涵喷管排出的或内外涵气流掺混后排出的燃气共同产生推力的燃 气涡轮发动机。它由涡轮喷气发动机发展而成。与涡轮喷射比较，主要特 点是首级压缩机的面积大很多，同时被用作为空气螺旋桨(扇)，将部分 吸入的空气通过喷射引擎的外围向后推。发动机核心部分空气经过的部分 称为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。现在多数 的飞机引擎都是采用涡扇作为动力来源。 优点 : 推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低，飞机航程远。缺 点 : 风扇直径大，迎风面积大，因而阻力大，发动机结构复杂，设计难 度大。 (3)主要用途:干线飞机和军用飞机 (三) 涡轮螺旋桨发动机 (1) 定义: 是一种通常用于飞机上的燃气涡轮发动机(gas turbine engine)。涡桨 发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨 飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。其 与活塞式螺桨机主要的差异点除了驱动螺旋桨中心轴的动力来源不同外， 还有就是涡桨发动机的螺旋桨通常是以恒定的速率运转，而活塞动力的螺 旋桨则会依照发动机的转速不同而有转速高低的变化。 (2) 结构特点: 当来自涡喷发动机的燃气发生器的排气用于旋转附加的涡轮并通过 减速器驱动螺旋桨时，这就是涡浆发动机。在某些涡浆发动机，附加功率 直接从压气机传动轴驱动螺旋桨减速器产生，这种类型称为直接传动涡轮 螺旋桨发动机。现代涡轮螺旋桨发动机中更多的有自由涡轮，它独立于驱 动压气机的涡轮，在发动机排气流中自有转动，自有涡轮轴通过减速器驱 动螺旋桨。涡浆发动机综合了涡喷发动机的优点同螺旋桨的推进效率。涡 浆发动机对相对大的空气质量施加较少的加速产生拉力。涡浆发动机将输 出较多的推力直到中高亚音速飞行，其功率随空速增加而减小。在正常巡 航转速范围，涡浆发动机推进效率保持高于或低于常数，而涡喷发动机推 进效率随空速增加而迅速地增加。 (3) 主要用途:用于支线飞机 (四) 涡轮轴发动机 在工作和构造上，涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来，只不过后者将风扇变成了螺旋桨，而前者将风扇变成了直升机的旋翼。除此之外，涡轮轴发动机也有自己的特点:它一般装有自由涡轮(即不带动压气机，专为输出功率用的涡轮)，而且主要用在直升机和垂直或短距起落飞机上。 主要用途:用于直升机、垂直/短距起落飞机。 (五) 浆扇发动机 又称无涵道风扇发动机。燃气通过动力涡轮输出轴功率传动桨扇的燃气涡轮发动机，既可看作带先进高速螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机，又可看作除去外涵道的超高涵道比涡轮风扇发动机，结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇发动机飞行速度高的优点。先进高速螺旋桨是这种发动机的特有关键部件，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在较高的飞行速度下保持较高的效率。螺旋桨可以是单排的或双排的。双排螺旋桨往往采用对转设计，后排螺旋桨可以校直前排螺旋桨出口的旋流，从而提高效率。传动方式分为通过减速器传动和直接传动。 主要用途:螺旋桨及风扇组合 1. 分析航空燃气涡轮喷气发动机的组成及各部分功用 (1)进气道 进气道是指由飞机(或发动机短舱)进气口至发动机压气机进口的这一段管道r它的作用是供给发动机所需要的空气量,并能提高气流的压力,尤其在超音速飞行的情况下,进气道对气流的压缩作用就更为重要。 (2)压气机 压气机的作用是提高流进气体的压力。由于压气机工作轮旋转,对进气道流来的气流进行压缩,获得机械能,而提高温度和压力。压气机工作的好坏,直接影响到发动机的推力图和经济性,对发动机能否正常运转关系极大,因此,压气机当然成为发动机的重要组成之一。 压气机分为轴向式和离心式两类。铀向式压气机迎风面积较小,效率较高,并且便于多级拼拢,能得到很高的增压比,因此获得了广泛应用。离心式压气机结构简单可靠,目前主要用于小流量的发动机中。 轴向式压气机由静子和转子组成。静子上的一排整流叶片组成一个整流环,各个整流环与外壳(机匣)固定在一起。转子也由好几排叶片和固定这些叶片的部件组成。转子上叶片叫做工作叶片,由一排工作叶片所组成的轮子叫做叶轮(或工作轮),这些叶轮与涡轮的工作轮相连,被涡轮带动高速旋转。 轴向式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。一个叶轮和一个整流环组成轴向式压气机的一个级。它是多级轴向式压气机的基本单元,单级轴向式压气机的增压能力较低,因此燃气涡轮发动机的轴向式压气机都是采用多级的。 轴向式压气机的各级都是利用扩散增压原理来提高空气压的。其办法是将工作叶片和整流叶片的叶型制成一定弯度 ,此时叶片出口的安装角 (叶片中弧线后缘切线与圆周速度的夹角)大于叶片进口安装角 (叶叶片中弧线后缘切线与圆周速度的夹角)。这样,在叶片进口处和出口间距相等的情况下,叶片通道出口面积就大子进口面积( > )。气流扩散减速后,压力也就增大。 离心式压气机也是由发动机的涡轮驱动,,来对空气进行压缩的。但是离心式压气机给出的是离心气流。离心压气机的单级增压比相对较高,一般为3~4.5。如果再提高增压比,就要采用超音速离心压气机了。-否则效率下降很多。 离心压气机主要由叶轮、扩压器和集气管组成,在发动机的进口还装有导流器,使空气进入压气机前产生预旋。从压气机叶轮出来的空气进入扩压器和集气管,然后流向燃烧室。 (3)燃烧室 燃烧室的作用是使压气机输入的大量空气与喷咀喷出的燃油充分混合燃烧,释放出热量,使燃气,影胀加速,在涡轮所处的各种状态下提供具有一定温度场的 燃气流。 对燃烧室要求是安全燃烧、工作稳定、点火可靠,出口温度场合乎要求等。从保证稳定燃烧来说,燃油和空气混合气的浓度应能使火焰传播的速度最快,燃烧既稳定又安全。可是这样的混合气浓度,燃烧后温度太高，可以达到2000K以上,大大超过涡轮安全允许的最高温度。从保证涡轮的工作安全来说，燃烧室的出口温度必须降低。人们经过不断实践和研究,在燃烧室内采用了具体办法是在燃烧室内装一个火焰筒,焰简。 燃烧区的位置在火焰筒的前半段,进入燃烧区的空气称为第一股空气，约占总空气量的25-35%，这部分空气与喷入燃烧室的燃料组成混合气，燃烧后的温度约为2200K。稀释区的位置在火焰筒的后半段，进入稀释区的空气称为第二段空气，约占总空气量的65-75%，第二股空气穿过火焰筒后段筒壁的气孔，进入稀释区与炽热的燃气掺合，一方面使燃气温度降到能保证涡轮安全工作的温度;另一方面，还可使尚未完全燃烧的混合气进行补充燃烧。 燃气涡轮发动机使用的燃烧室主要有三种类型:单管燃烧室,环管燃烧室和环形燃烧室。涡轮在航空上之所以重要,是因为在燃气涡轮发动机上带动压气机压缩空气往往需要很大的功率,二般在一万千瓦以上,这样大的功率,活塞式发动机是无法办到的。 涡轮的基本组成部分是导向器和工作轮,导向器装在工作轮的前面,固定不动。导向器和旋转的工作轮组成了涡轮的一个级。为了产生较大的驱动功率,涡轮要由数级组成。涡轮级数取决于单轴结构还是双轴结构、涡轮需要从燃气中所得到的能量、涡轮的转速以及涡轮所允许的直径大小等诸因素。 (5)尾喷管 尾喷管的作用是把涡轮排出的燃气以一定的速度和规定的方向喷出发动机。显然,当涡轮喷气发动机保持空气流量不变时,喷气速度比进口气流速度大得多,发动机产生的推力越大。尾喷管通常由排气段和喷口组成。排气段内装有整流锥,使横截面积顺气流方向由环形逐渐变成圆形,而构成扩散通道。以降低气流的速度,同时防止燃气流出涡轮时产生涡流损失。整流锥用流线形的支板支撑,可以把涡轮出口扭转的气流扭直方向,沿铀向流出喷口。 (6)消音器 噪声严重影响人们的生息和身心健康,降低噪声已成为人们十分关注的问题。 噪声包括音调和声压。测量其强度的单位是分贝。在一般情况下,人们睡眠要求周围的噪声不超过35分贝,工作、学习时不超过55分贝,但是,现代涡轮喷气发动机的噪声却远远超过人的听觉器官所能承受的,而高达120分贝以上。 近二十年来,随着民用航空的发展,不但飞机的数量增多,而且飞机的尺寸和飞机速度也不断增大,发动机的噪声日益严重,人们长期受噪声的剌激,不仅会产生“噪声性耳聋",还会使中枢神经系统、心血管系统、消化系统等发生功能紊乱,导致“充耳不闻",预防的办法只能从限制的声源开始。 发动机喷管喷出的高温燃气流入静止的或流速较慢的气流中,流动气体和静止气体之间的剪切力,使射流边界层中的气体形成强烈的紊流脉动,从而产生高频噪声,随着燃气向后流动,喷气射流的掺混区逐渐扩大,噪声频率逐渐下降。在完全混合区产生低频噪声。可见,喷气噪声是由各种频率组成的所谓“白"噪声(类似于自光)。 喷气的声功率与喷气速度的八次方成正比。所以喷气速度对声功率影响最大。如离飞机250米处,加力式涡轮喷气发动机的排气速度为720米/秒时,声强级为124-125分贝;亚音速涡轮喷气发动机排气速度为600米/秒时,声强级为118分贝;涡轮风扇发动机较低,约为360米/秒时,声强级为108分贝。