燃气涡轮发动机概论

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1、燃气涡轮发动机概论 - 0 - 燃气涡轮发动机概论 燃气涡轮发动机概论 AN INTRODUCTION TO GAS TURBINE FUNDAMENTALS ENGINES Star CFSO 109 中国飞行模拟组织中国飞行模拟组织 www.cfso.org 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 1 - 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 前言 前言 本教学参考资料面向广大航空爱好者，内容大多为常识性科普知识，旨在传播科学文 化，并不作为专业用途。 本教学参考资料面向广大航空爱好者，内容大多为常识性科普知识，旨在

2、传播科学文 化，并不作为专业用途。 为此，编者特地删减了发动机的结构部分，简要介绍了其工作原理和日常使用中的现 象。由于本文参考资料广泛，再加上编者翻译水平有限，内容稍显杂乱，请酌情参考。 为此，编者特地删减了发动机的结构部分，简要介绍了其工作原理和日常使用中的现 象。由于本文参考资料广泛，再加上编者翻译水平有限，内容稍显杂乱，请酌情参考。 本文内容大体上是本文内容大体上是 ATA71 至至 ATA80 的微缩版本， 考虑到部分读者未曾接触过航空专业 知识（例如空气动力学等） ，删除了很多理论性强的部分，保留了总结性的部分。 的微缩版本， 考虑到部分读者未曾接触过航空专业 知识（例如空气动力学

3、等） ，删除了很多理论性强的部分，保留了总结性的部分。 编者系中国民用航空学院编者系中国民用航空学院(CAUC)的一名机务相关专业大二在校学生，水平非常有限， 纰漏之处望读者指正。 的一名机务相关专业大二在校学生，水平非常有限， 纰漏之处望读者指正。 本文参考资料众多，尤其是来自互联网的资料无法收集其原创作者信息，无法一一列 出，望谅解！ 本文参考资料众多，尤其是来自互联网的资料无法收集其原创作者信息，无法一一列 出，望谅解！ 编者编者 西安西安 2006.01.26 燃气涡轮发动机概论 - 2 - 第一章 燃气涡轮发动机的工作原理 第一章 燃气涡轮发动机的工作原理 1.1 燃气涡轮发动机的分

4、类燃气涡轮发动机的分类 燃气涡轮发动机是将燃油燃烧时放出的热能转变为机械能的装置。 它既是热机又是推进 器。因为它是由高速流过发动机的气体对发动机的反作用力来推动飞机运动的一种热机。 燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机（涡喷） ，涡轮风扇发动机（涡扇） ，涡轮轴发动机 （涡轴） ，涡轮螺旋桨发动机（涡桨） 。其中民航常用的发动机是涡轮风扇发动机。下面对这 几种发动机各自的特点作一简要介绍： ? 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 Turbojet： 和活塞发动机相比，结构简单，重量轻，推力达，推进效率高是它最主要的优点。而且 在很大的飞行速度范围内，发动机的推力随飞行速度的增加而增加。 加力式涡轮喷气

5、发动机是在涡轮和喷管之间装有加力燃烧室， 用来提高喷管前的燃气温 度，增大排气速度，从而加大发动机的推力。 ? 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机 Turbofan： 和涡喷发动机相比，具有推力大，推进效率高，噪音低等优点。 现在也有的涡扇安装加力燃烧室，称为加力式涡扇发动机。 另外有一种新型的桨扇发动机，桨扇发动机融合了涡桨发动机省油和涡扇发动机 可在更高速度下巡航的优点。桨扇发动机涵道比高达 90:1。桨扇发动机作为一种全 新的动力装置， 由于航空公司考虑到经济因素和其噪声大的桨叶不能被旅客所接受， 因此，除乌克兰的 D-27 桨扇发动机（用于 An-70）投入小批量生产外，美国研制的 几种桨扇

6、发动机都没有进入实用阶段。 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 3 - ? 涡轮轴发动机涡轮轴发动机 Turbo shaft： 是直升机的主要动力装置。主要特点是核心机后的燃气所具有的可用功，几乎 全部通过涡轮轴输出，带动旋翼和尾桨。也就是在核心机后有一个涡轮，它独立于 驱动压气机的涡轮，两者有气动连接，称之为自由涡轮。 ? 涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机 Turboprop： 它综合了涡喷发动机和螺旋桨的优点，而且在较低的飞行速度下，具有较高的 推进效率，所以它在亚音速飞行时的经济性较好。 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版

7、权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 4 - 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 5 - 1.2 喷气发动机的工作原理喷气发动机的工作原理 1.2.1 组成组成 单转子涡喷发动机是由进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管五大部件组成。 进气道 Inlet（英国称之为 Intake） ：将足够的空气量，以最小的流动损失顺利的引入压 气机；除此之外，当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时，可以通过冲压压缩空气，提 高空气的压力。 压气机 Compressor：通过高速旋转的叶片对空气作功，压缩空气，提高空气的压力， 其性能的好坏是发动机性能的主要体

8、现。 燃烧室 Combustion Chamber：高压空气和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形 成高温高压的燃气。 涡轮 Turbine：高温高压的燃气在涡轮内膨胀，向外输出功，去带动压气机和其他附件。 喷管 Exhaust Nozzle：使燃气继续膨胀，加速，提高燃气的速度。另外还有减噪，改变 燃气方向的作用。 中间的三个部分：压气机，燃烧室，涡轮称为核心机（燃气发生器） 。 1.2.2 喷气发动机的工作原理喷气发动机的工作原理 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 6 - 足够量的空气， 通过进气道以最小的流动损失顺利的引入发动机。

9、压气机以高速旋转的 叶片对空气作功压缩空气，提高空气的压力。高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化 学能转变为热能， 形成高温高压的燃气。 高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀， 推动涡轮旋转， 去带动压气机。然后燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气的速度。使燃气以较高的 速度喷出，产生推力。 1.2.3 几个重要的参数几个重要的参数 1.涡轮前燃气总温 TAT(Total Air Temperature) 它是发动机中最重要，最关键的一个参数，也是受限制的一个参数。它反映了发动机性 能的高低。 2.发动机排气温度 EGT(Exhaust Gas Temperature) 一般是低压涡轮后燃气

10、的总温。它是发动机中一个重要的监控参数，其原因是：EGT 的高低反映了发动机中最重要的，最关键的参数涡轮前总温 TAT 的温度（EGT 比 TAT 容易 得到） 。另外 EGT 的变化还能反映发动机的故障，例如：脏的压气机的叶片会使 EGT 升高。 又如，按正常的 EPR 起飞时，若发现 EGT 高，最可能的故障是放气活门漏气。 3.发动机的压力比 EPR(Engine Pressure Ratio) 定义是： 低压涡轮后的总压与低压压气机进口处的总压之比。 它是表征发动机推力的参 数之一，这是因为，对同一类型的发动机来说，EPR 高，表明涡轮后燃气的总压高，燃气 具有较高的作功能力，所以发动

11、机的推力就大。 另一个表征发动机推力的参数是低压转子的转速 N1。例如，GE 公司的发动机通常用 N1 来表征推力，而 RR 和 PW 惯用 EPR。 注：此处的 TAT 特指涡轮前燃气总温，而不是驾驶舱表征的大气总温。 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 7 - 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 1.3 喷气发动机的性能指标喷气发动机的性能指标 1.6.1 推力指标推力指标 1.推力 推力是发动机最主要的性能指标， 但决不能只以它的大小来衡量发动机的好坏， 因为它 并不能表明发动机的有多大尺寸， 有多少重量，

12、也不知道消耗多少燃油才能产生这样大的推 力，因此，引入下列参数。 2.单位推力 发动机的推力与流过发动机空气的质量流量的比值。 3.推重比 发动机的推力与发动机重量的比值。 4.迎面推力 发动机的推力与发动机最大迎风面积的比值。 1.6.2 经济指标经济指标 1.燃油消耗量 单位时间进入燃烧室的燃油质量。 2.燃油消耗率 产生单位推力在一小时内所消耗的燃油质量称为燃油消耗率。 燃气涡轮发动机概论 - 8 - 第二章第二章 进气道进气道 进气道 Inlet（英国称之为 Intake） ：将足够的空气量，以最小的流动损失顺利的引入压 气机；除此之外，当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时，可以通过

13、冲压压缩空气，提 高空气的压力。 2.1 亚音速进气道亚音速进气道 对于不能超音速飞行的大型客机， 进气道相对简单、 短小一些。 进气道的表面比较平缓， 是扩张形的，根据空气动力学原理，在高速飞行时，扩张形的进气道通过冲压作用来提高空 气压力。另外，亚音速进气道的唇口比较厚，可以降低空气流动损失。 2.2 超音速进气道超音速进气道 超音速进气道完全是另外一种设计。它的唇口很薄，这样可以减少激波损失。对于超 音速飞行的飞机，超音速进气道的一个重要作用是要让进气气流从超音速减速到亚音速。 超音速进气道分为内压式、外压式和混合式三种基本类型。 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2

14、006 燃气涡轮发动机概论 - 9 - 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 2.3 进气道的效率进气道的效率 进气道要在整个飞行过程中保持一个较高的效率。 当飞机飞行速度很低， 或者干脆静止 时，气流完全是靠压气机吸入的。高速时，一个良好设计的进气道可以保证发动机在大迎角 和侧滑时拥有良好的进气效率。 由于进气道的重要性， 所以一般飞机的进气道由飞机制造商 来设计， 而不是发动机生产商。 但是发动机生产商也需要有相关的工程师来确保发动机和进 气道的完美搭配。 2.4 进气道的防冰进气道的防冰 涡喷发动机，需要防冰的部位有：进气整流罩，前整流锥和压气机的进气导向器。

15、防冰方法有两种。 涡喷发动机一般采用热空气防冰， 涡桨发动机一般采用电加温或热空 气与电加温混合型。 防冰系统的热空气通常取自高压压气机， 通过调节活门用导管输至需要防冰的部件。 用 过的空气排入压气机进口。 现代大型涡扇发动机，由于压气机进口处没有导流叶片，只有整流锥，多用复合材料和 钛合金制成， 试验结果表明这种整流锥结冰的可能性很小， 所以这些发动机的进气整流锥都 没有防冰装置。IAE V2500 发动机进气整流锥的前段由橡胶制成，依靠发动机旋转时橡胶的 震动来防冰。 燃气涡轮发动机概论 - 10 - 第三章章 压气机压气机 压气机 Compressor：通过高速旋转的叶片对空气作功，压

16、缩空气，提高空气的压力， 其性能的好坏是发动机性能的主要体现。 正如图示，压气机主要分为两种基本类型：离心式压气机(Centrifugal Compressor)和轴 流式压气机(Axial Compressor)。 所谓离心式压气机， 空气在工作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的方向流动； 而轴流式压气 机，空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴向方向流动。也有一些发动机采用混合式压气机。 中国飞行模拟组织 Star CFSO 109 版权所有2006 燃气涡轮发动机概论 - 11 - 3.1 离心式压气机离心式压气机 离心式压气机用在早期发动机中，现在也有一些小型发动机和 APU 使用这种类型的压 气机。 离心式压气机的主要优点是单级增压比很高，可以达到 4:1-5:1，甚至更高。同时稳定 工作范围宽，结构简单，重量轻，所需起