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目录 • 引言 • 压气机 • 涡轮 • 燃烧室 • 喷嘴 • 整体结构 • 受力分析 航空发动机结构分析 1 发动机是飞机上的动力装置，人类自从尝试驾驶有翼飞机以来，就经历了无数的故障，直到20世纪初才使用活塞内燃机把第一架飞机送上蓝天。二战后，由于喷气发动机的迅速发展，活塞发动机逐渐被淘汰。20世纪60年代涡扇发动机的问世，大大降低了油耗，使得设计和制造大型喷气式飞机成为可能，大大增加了载重量和航程。燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能，使其能够以2倍音速以上的速度飞行，直到现在，它仍然广泛应用于各类飞机上。 2 航空发动机的作用 • 航空发动机是飞机飞行的动力，是航空发展的驱动力； • 航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素； • 航空发动机的研制对冶金、机械、电子、仪器仪表等行业的发展具有重要的带动和促进作用。 3 航空发动机研究的特点 • 技术难度大 一台发动机包含十几个部件和系统、上万个零部件，研制一款新型发动机需进行1万小时的整机试验和10万小时的部件和系统试验。 • 周期长 先进发动机的研制周期为9～15年，F119从1986年投入使用，到2005年共计19年。 • 成本高 F119的研制费用超过20亿美元，发动机研发费用占总航空成本的1/4
4 军用发动机设计要求A 性能要求，包括地面台架性能和空中飞行性能（推力和燃油消耗率）、启动性能、加减速性能、引气量、功率提取和过载等；B 适用性要求，包括发动机在飞行包线内和不受限制地使用油门杆、不受限制地连接和断开加力燃烧室、飞行状态变化和极端机动状态下发动机稳定工作；C 结构与安装要求，包括安装节点位置、外形尺寸、重量和重心位置；5D 可靠性要求，包括发动机寿命和工作周期、发动机各状态连续工作时间和平均故障时间；E 维修性要求，包括发动机场内可更换件更换时间、每飞行小时平均维修小时数和发动机更换时间；F 其他要求，如满足飞机隐身要求的红外信号和雷达反射特性、飞控矢量推力等。 6 航空发动机的分类： 在过去的一个世纪的航空史上，人类所使用的主要航空发动机可分为两大类： 1.活塞发动机 •冷却方式（液冷、空冷）。 •气缸排列（星型、V型、直列、并联、X型） 2.航空喷气发动机 •无压气机（冲压喷气发动机、脉冲发动机）。 •有压气机（涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机、螺旋桨风扇发动机）。 78 航空燃气涡轮发动机的基本型式 根据其工作方式可分为五种基本型式： •涡喷发动机（WP） •涡桨发动机（WJ） •涡扇发动机（WS） •涡轴发动机（WZ） •螺旋桨风扇发动机（JS） 91.涡喷发动机 主要组成部分：进气口、压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾喷管、（加力燃烧室） 特点： (1)涡轮只带动压气机压缩空气。
（2）发动机全部推力来自于高速燃气喷出产生的反作用力。 102. WJ 主要部件：压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾喷管、减速器 特点：涡轮不仅带动压气机压缩空气，而且带动螺旋桨产生推力。发动机推力来自于两部分，一部分是高速燃气喷出产生的反作用力（10%），另一部分是涡轮带动螺旋桨产生前推力（90%）。 113. WS 主要部件：风扇、外涵道、内涵道（压气机、燃烧室、涡轮）、尾喷管 特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力之和。涵道比（流量比）：外涵道与内涵道气流的比值。 124.WZ 主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡轮、自由涡轮、尾喷管 特点：通常带自由涡轮，而其它形式的涡喷发动机一般不带自由涡轮。 135 螺旋桨风扇发动机 螺旋桨风扇发动机是介于涡扇发动机和涡桨发动机之间的一种发动机形式，既可以看作没有外涵道的大涵道比涡扇发动机，又可以看作装有高速先进螺旋桨的涡桨发动机，因此兼有前者飞行速度高和后者耗油率低的优点。目前处于研究、实验阶段。 螺旋桨风扇发动机概念研究始于20世纪70年代中期，80年代后半期完成地面和飞行验证试验，基本达到预期目标。由于航空公司综合经济因素、公众接受程度等多方面原因，螺旋桨风扇发动机至今尚未进入实用阶段。
14桨扇发动机的关键部件是先进的高速螺旋桨，它具有多个宽弦、薄叶后掠叶片，在0.8的飞行马赫数下仍能保持较高的效率，如图1-6所示。桨扇由涡轮驱动，没有涵道机匣，并装有减速器。从这些角度看，它有点像螺旋桨；但它的直径比普通螺旋桨要小，叶片数量也较多（一般为6-8片），叶片薄而宽，前缘呈后掠状，有点类似于风扇叶片。15••••16核心机（燃气发生器）：产生燃气的部件飞机发动机叶片的作用，即压气机、燃烧室和涡轮，称为燃气发生器。由于它处于发动机的核心位置，所以也叫核心机。•对于单转子发动机，是指主燃烧室内的压气机和驱动压气机的涡轮； •对于双转子发动机来说，是指高压压气机、主燃烧室和高压涡轮。在核心机的基础上，增加不同类型的部件，可以发展成不同类型的发动机。17燃气涡轮发动机的主要性能参数推力单位推力推重比单位迎面推力单位油耗比压比涡轮前气体温度涵道比18燃气涡轮发动机的基本机理---喷气推进原理：喷气推进是牛顿第三定律（作用于物体的每一个力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力）的实际应用。喷气式飞机飞行时，会高速向后喷出大量的气体，表现为发动机对喷出的气体施加了“力”。根据牛顿第三定律（在飞机推进方面，“物体”是经过发动机时被加速的大气中的空气），高速气体也必然会给予发动机一个大小相等、方向相反的反作用力，使飞机向前运动。
高速气体喷出对发动机的反作用力叫喷气发动机的推力，喷出的气体越多，速度越大，产生的推力也越大。19 燃气涡轮发动机的工作循环20 压气机的作用： •用来提高进入发动机的气压，供给发动机工作所需的压缩空气。 •为座舱增压、涡轮冷却和其他发动机的启动提供压缩空气。结构型式：轴流离心式混合式主要性能指标：•压缩比•效率•外形尺寸与重量•工作可靠性•制造与维护成本21 轴流压气机的特点：压缩比高、效率高、单位空气流量大。在同样的迎风面积下，轴流式比离心式吸入的空气多得多，产生的推力更大。可通过增加级数来提高压缩比 压缩比高有利于采用轴流压气机，因为这样可以提高效率，从而在给定推力的情况下，改善燃油消耗。 轴流压气机在大、中推力发动机上得到广泛的应用。22 离心式压气机的特点： 结构简单，坚固可靠，易于制造发展，生存力强，特性相对稳定，级间压比高等。 应用于小型发动机。主要用于教练机、导弹、靶机上的小型动力装置和辅助动力装置。直升机的动力装置中采用混合式压气机。23 轴流压气机的组成：由转子和定子组成。转子是对气流做功的高速旋转总成，包括叶轮、鼓、叶片等。从受力的角度分析：转子都在高速下工作，惯性载荷(离心力)很大，气体力不大。
定子是定子总成的总称，包括机壳和整流器等。定子所承受的载荷基本是气体力和扭矩，还有周期性的惯性力。24压缩机的主要特点：从结构设计上看，转速高，可达每分钟几千或几万转(如JT8D-9型发动机高、低压转速分别为12250和8600r/min)。高转速的优点：压缩机能在体积小、重量轻的条件下，获得所要求的性能(即给定的空气流量和压缩比)，满足发动机性能设计的最基本要求。高转速的缺点：在高转速条件下，转子零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩及复杂的振动载荷，如果零件型面及传力方案设计不合理，运行过程中就有损坏的危险。如果转子零部件的定心方案不恰当，转子装配不当，平衡性不好，横向刚度不足，当压气机在较高转速下工作时，转子就会剧烈振动，影响发动机的正常工作。转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点。25 压气机转子所受载荷：见图3-5 转子结构设计需要解决的基本矛盾：转子零部件之间的连接在体积小、重量轻、结构简单、工艺性好的前提下，应保证力传递可靠（结构设计中起决定作用的载荷是叶片和转子的离心力、弯矩和扭矩），良好的定心和平衡，以及足够的刚度。这些是压气机转子方案设计时应该遵循的基本原则，也是分析各种转子方案的基本原则。
26 压气机转子的基本结构型式 1 鼓形转子 2 圆盘转子 3 圆盘—鼓形（混合型）转子 压气机转子的基本型式 27 转子叶片与圆盘的连接 转子叶片的组成： 转子叶片是轴流压气机的重要部件之一，主要由叶身和榫头两部分组成，在一些较长的叶片，或在激振力相对较强区域工作的叶片上，叶身还要设有阻尼平台。 28 轴流压气机转子叶片榫头的类型 （1）销式榫头结构简单，工艺简单；体积大、重量大，承载能力低 （2）燕尾榫头体积小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有应力集中现象。 （3）杉树形榫头体积小、重量轻，承载能力最强应力集中最为严重，加工精度要求高 定子部件的组成： 定子是压缩机的非旋转部件。 整流机壳、整流器（由机壳和定子叶片组成） 机壳 定子叶片 32 整流机壳的结构（1）为圆柱形或圆锥形薄壁筒体（2）前后与其它机壳相连，（3）内壁上有各种型式的凹槽，用以固定整流叶片，（4）发动机转子支撑在机壳内，发动机一些安装节点及一些附件、导管也固定在机壳外壁上。 整流机壳承受的载荷：定子重量、惯性力、内外气压差、扭矩、轴向力、弯矩、热载荷、振动载荷。是发动机主要承重壳体之一，是气流通道的外壁。 33 整流器机壳结构设计的基本要求（1）重量轻，有足够的强度船舶安全管理体系软件，能可靠地承受各种载荷；（2）有足够的刚度，以保证在各种载荷作用下飞机发动机叶片的作用，机壳的径向和横向变形都在允许范围内；（3）保证机壳各段之间、机壳与转子之间的同心度；（4）具有包容性，以保证叶片折断或圆盘破裂时，机壳不被穿透；（5）采取措施，减少泄漏损失和机壳与转子之间的径向间隙，提高压缩机的效率；（6）装配方便、加工性好、维护性和检测性好。
34 整流器机壳的结构方案 （1）整体式 （2）半式（纵断面结构） （3）分段式（横断面结构） 35 整流器安装在机壳内，位于两级转子之间，所以转子与机壳的方案决定了整流器的方案。在铸造半机壳中，由于机壳壁较厚，可用不同形式的榫头将整流叶片直接固定在机壳内壁特制的环槽中。 整流叶片在机壳上的直接固定形式 1.榫头；2.螺钉；3.焊接。 36 整流器的固定方式 有的整流器有内环（双枢轴）；有的没有内环（单枢轴）；有的整流器前几级为双枢轴，后几级为单枢轴作用在整流器叶片上的气动载荷并不大，但由气流脉动引起的叶片振动裂纹往往是叶片损坏的一个主要原因，因此将叶片内端连接起来组成双支点整流器是提高叶片固有频率的基本措施。 37 使用辅助装置的原因 为保证压气机正常有效工作，除主要零部件外，轴流压气机上还有一些辅助装置和系统。 主要辅助装置与系统 ► 空气密封装置 ► 防结冰系统 ► 防喘振系统 ► 压气机气流控制系统 ► 间隙控制装置 38 空气密封装置的原因： 压气机转子与定子之间、转子前后端面与机壳之间存在泄漏损失，严重影响压气机的效率。减少空气泄漏的方法： 1、正确选择合适的间隙 2、使用空气密封装置 39 防结冰系统的原因： 冰层会损害发动机的性能
（1）冰层会导致发动机进气面积缩小，减少通过发动机的空气流量，从而造成发动机性能损失，甚至可能导致发动机故障。 （2）由于发动机振动，冰层可能破裂，破碎的冰可能被吸入发动机内，损坏叶片船用柴油机，甚至摧毁整个发动机。防冰系统必须确保在飞机飞行范围内有效防止结冰。 40 功能： 涡轮是将高温高压燃烧气体的能量转化为动能和机械能的涡轮机。气流在涡轮内转动膨胀产生机械功，从而驱动压气机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件传动系统。 41 涡轮部件的基本组成 转子部件 • 转子叶片 • 涡轮盘 • 涡轮轴 • 轴承系统与密封系统的部件。 定子部件： • 导叶（又称定子叶片，或简称导叶） • 涡轮机壳 • 轴承座 • 承重机壳及各种定子部件；带有叶片排的流道构成涡轮的主气流通道；一排导叶和其后的一排转子叶片构成一个涡轮级；多级涡轮由多个涡轮级组成。含有导叶排的部件叫导叶；含有转子叶片的部件叫工作轮。 42 轴流涡轮和向心（径向）涡轮结构型式： 根据气体流动方向，分为径向涡轮和轴流涡轮。 径向涡轮（又称向心涡轮）：气体通常由周边向中心流动。 特点：级功率大，工作可靠性好。 应用：小型航空发动机、小型燃气轮机等。 轴流涡轮特点：体积小、流量大、效率高。 应用：大型航空发动机、大功率动力装置等。 43
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