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1、2014/10/24 1 航空发动机总体及叶轮机航空发动机总体及叶轮机 设计专业公开课设计专业公开课 - -总体性能设计总体性能设计 燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机 燃气涡轮发动机是一种以空气燃气涡轮发动机是一种以空气 为介质为介质，将热能转换为机械能将热能转换为机械能 的动力装置的动力装置 广泛应用于：航空广泛应用于：航空、航天航天、航航 海海、能源能源、交通等领域交通等领域 航空燃气轮机技术在燃气轮机航空燃气轮机技术在燃气轮机 领域中一直处于领先发展地位领域中一直处于领先发展地位 航空工业航空工业被称作为被称作为现代工业的现代工业的“皇冠皇冠”，而航空而航空燃气涡燃气涡 轮轮发动机发动机则则
2、是皇冠上的是皇冠上的“明珠明珠” 一个国家的航空燃气涡轮发动机技术水平是综合国力的一个国家的航空燃气涡轮发动机技术水平是综合国力的 体现体现 过去过去50年美国在航空发动机上的科研投入接近年美国在航空发动机上的科研投入接近1000亿美元亿美元 美国未来战略基础的九大优势技术美国未来战略基础的九大优势技术，将将航空发动机排在第二位航空发动机排在第二位， 位于核技术之前位于核技术之前 航空航空燃气涡轮燃气涡轮发动机是传统经典力学逼近极限的一门技发动机是传统经典力学逼近极限的一门技 术术，在在空气动力学空气动力学、热力学热力学、结构力学等所有经典力学结构力学等所有经典力学 都都有所有所体现体现 航空
3、燃气涡轮发动机是高技术密集型产品航空燃气涡轮发动机是高技术密集型产品，所涉及学科所涉及学科 流体力学流体力学、固体力学固体力学、热力学热力学、传热学传热学、燃烧学燃烧学、转子动力学转子动力学、控制理控制理 论论、气动声学气动声学、材料学材料学、加工工艺学等加工工艺学等 2014/10/24 3 航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机 2014/10/24 4 航空发动机总体技术发展航空发动机总体技术发展 二次世界大战结束至今二次世界大战结束至今70年多来，航空燃气涡轮年多来，航空燃气涡轮 发动机取代了活塞式发动机，开创了燃气涡轮发发动机取代了活塞式发动机，开创了燃气涡轮发 动机时代，现已位居航空
4、动力的主导地位动机时代，现已位居航空动力的主导地位 在飞行器需求牵引和技术发展的推动下，发展了在飞行器需求牵引和技术发展的推动下，发展了 不同类型发动机不同类型发动机 涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动 机、桨扇（开放转子）发动机、涡轮轴发动机机、桨扇（开放转子）发动机、涡轮轴发动机 不同类型发动机在不同时期，不同的飞行器动力不同类型发动机在不同时期，不同的飞行器动力 技术应用领域内发挥着各自的作用，促使飞行器技术应用领域内发挥着各自的作用，促使飞行器 的性能不断跨上新的台阶的性能不断跨上新的台阶 2014/10/24 5 人类在航空领
5、域中所取人类在航空领域中所取 得的每一个革命性进展得的每一个革命性进展 无不与航空燃气涡轮发无不与航空燃气涡轮发 动机技术的突破相关动机技术的突破相关 飞行器需求则牵引飞行器需求则牵引 航空燃气涡轮发动航空燃气涡轮发动 机向更高技术发展机向更高技术发展 本次课程重点内容本次课程重点内容 未来飞行器对动力系统有怎样的性能未来飞行器对动力系统有怎样的性能 需求？需求？ 航空燃气涡轮发动机性能设计所遵循航空燃气涡轮发动机性能设计所遵循 的基本设计原理是什么？的基本设计原理是什么？ 如何选择航空燃气涡轮发动机的总体如何选择航空燃气涡轮发动机的总体 性能设计参数？性能设计参数？ 2014/10/24 6
6、 2014/10/24 7 1. 未来飞行器对航空发动机性能未来飞行器对航空发动机性能 发展的需求发展的需求 随电子技术发展随电子技术发展，导弹功能提高导弹功能提高，使作战方式发生重大使作战方式发生重大 变化变化，对现代飞机性能提出对现代飞机性能提出“4S”要求要求 超低雷达探测面积超低雷达探测面积(增强生存性)、超音速巡航超音速巡航、超视距作战超视距作战(先 敌发现、先敌攻击)、超机动性超机动性(近距格斗、过失速机动) 短距或垂直起降短距或垂直起降 对发动机的要求对发动机的要求 在飞行在飞行Ma=1.4-1.5时发动机有足够大的不加力推力时发动机有足够大的不加力推力，使飞机实现使飞机实现 不
7、加力超音速巡航不加力超音速巡航（突防突防） 在超音速和亚音速飞行条件下发动机有在超音速和亚音速飞行条件下发动机有更大的加力推力更大的加力推力，以扩以扩 大飞行包线范围和改进飞机机动性大飞行包线范围和改进飞机机动性 飞机过失速机动要求发动机提供飞机用于姿态控制的飞机过失速机动要求发动机提供飞机用于姿态控制的矢量推力矢量推力， 必须采用矢量喷管必须采用矢量喷管 飞机高机动飞行攻角和侧滑角大大增加飞机高机动飞行攻角和侧滑角大大增加，要求发动机要求发动机提高抗畸提高抗畸 变能力变能力 为增加生存能力提出隐身要求为增加生存能力提出隐身要求（低可探测性低可探测性），发动机采取措发动机采取措 施施降低红外信
8、号降低红外信号 (1)现代先进超音速战斗机现代先进超音速战斗机 对发动机性能的需求对发动机性能的需求 2014/10/24 9 (1)现代先进超音速战斗机现代先进超音速战斗机 对发动机性能的需求对发动机性能的需求 以夺取空中优势任务为主以夺取空中优势任务为主F/A-22第四第四 代战斗机代战斗机，已经开始服役已经开始服役 目前推重比目前推重比10一级的涡扇发动机已研一级的涡扇发动机已研 制成功制成功，为第四代战斗机提供动力为第四代战斗机提供动力 美国的美国的F119 F-22 西欧的西欧的EJ200 EFA2000 法国的法国的M88 “阵风阵风” 以对地攻击为主的第五代超声速垂直以对地攻击为
9、主的第五代超声速垂直 起降的轻型战斗机起降的轻型战斗机F35，原本预计将原本预计将 于于20102012年投入服役年投入服役 研制费用达研制费用达4000亿美元亿美元 2014/10/24 10 典型先进战斗机发动机典型先进战斗机发动机 F135F135发动机发动机 (2)第六代超音速战斗机需求第六代超音速战斗机需求 美国空军和海军正在定义第美国空军和海军正在定义第6代战斗机需求代战斗机需求，并设想将并设想将 于于2025-2030年之后服役年之后服役 在拟定未来战斗机的需求时在拟定未来战斗机的需求时，充分考虑充分考虑F22和和F35的教训的教训 追求最高指标追求最高指标 大量采用不成熟技术大
10、量采用不成熟技术 项目异常复杂和发展延迟项目异常复杂和发展延迟 售价昂贵导致采购量大幅削减等售价昂贵导致采购量大幅削减等 美国空军和海军用来定义各自第美国空军和海军用来定义各自第6代战斗机需求时的通代战斗机需求时的通 用词汇为战斗机具备用词汇为战斗机具备“可供性可供性”和和“空中优势空中优势”。在当在当 前研究发展下一代空中优势战斗机时前研究发展下一代空中优势战斗机时，军方都会明确将军方都会明确将 考虑寻求一个考虑寻求一个 “80%的解决方案的解决方案”，不会在每个领域都不会在每个领域都 追求最先进性作为第追求最先进性作为第6代战斗机的指标代战斗机的指标 (2)第六代超音速战斗机需求第六代超音
11、速战斗机需求 美国空军和海军均认为未来第六代战机应具备美国空军和海军均认为未来第六代战机应具备 “可供性可供性”要强”要强 更远的作战距离更远的作战距离 通过飞行平台的续航能力和武器射程的结合来增加打击距离通过飞行平台的续航能力和武器射程的结合来增加打击距离 因很难保证空中加油机的安全因很难保证空中加油机的安全，新一代战斗机必须减少对空新一代战斗机必须减少对空 中再加油的依赖中再加油的依赖 非空中再加油的作战半径预计将达到非空中再加油的作战半径预计将达到1000到到1250海里海里，而现而现 役的役的F/A-18E/F和和F-35战斗机非空中再加油的作战半径仅为战斗机非空中再加油的作战半径仅为
12、 500到到600海里海里。 更高速度的超音速巡航能力更高速度的超音速巡航能力 更强的火力，使用定向能武器更强的火力，使用定向能武器 自卫用的高能激光，反电子战用的大功率微波，都会对飞机自卫用的高能激光，反电子战用的大功率微波，都会对飞机 的动力装置提出更高功率提取能力要求的动力装置提出更高功率提取能力要求 六代机与五代机相比六代机与五代机相比，美国有文献归纳为美国有文献归纳为“6S”： 超扁平外形超扁平外形、超音速巡航超音速巡航、超常规机动超常规机动、超远程超远程 打击打击、超维度物联超维度物联、超域界控制超域界控制 美国空军美国空军希望希望研究研究的第六的第六代战术飞机代战术飞机 在在20
13、30年左右具备初始作战能力年左右具备初始作战能力 设想中的系统在设想中的系统在可可达性达性、持久性持久性、生存性生存性、网络网络 中心能力中心能力、势态感知能力势态感知能力、人机一体化以及武器人机一体化以及武器 效能等方面可能具有更强的性能效能等方面可能具有更强的性能 必须能够在必须能够在2030至至2050年间的反进人年间的反进人/区域拒止环区域拒止环 境下作战境下作战(针对中国针对中国) 期望第六期望第六代战斗机代战斗机的的性能将性能将在在推进推进、材料材料、发电发电、传传 感器以及武器等感器以及武器等技术的推动下技术的推动下，达到达到意想不到的意想不到的能够能够 改变游戏规则改变游戏规则
14、的的技术突破技术突破 (2)第六代超音速战斗机需求第六代超音速战斗机需求 U.S. Navys “F/A-XX“ sixth- generation fighter. (Boeing) 未来超音速攻击机作战未来超音速攻击机作战任务任务 气温气温35 C/1200m机场高度机场高度 2400m跑道跑道 超音巡航超音巡航 Ma2.2. H=15200m 2g作战盘旋作战盘旋 超音突防超音突防 Ma2.2 H=15200m (2)第六代超音速战斗机需求第六代超音速战斗机需求 俄罗斯也已开始研制第六代战斗机，率俄罗斯也已开始研制第六代战斗机，率 先开展的技术储备项目与材料和发动机先开展的技术储备项目与
15、材料和发动机 相关相关 法国主导的“神经元”和英国的“雷神”法国主导的“神经元”和英国的“雷神” 为无人战斗机为无人战斗机 但目前为止，第六代战机将应具备哪些但目前为止，第六代战机将应具备哪些 技术特征，各国没有统一标准技术特征，各国没有统一标准 2014/10/24 15 （3）新型远程轰炸机需求）新型远程轰炸机需求 远程纵深打击能力将是新型轰炸机（远程纵深打击能力将是新型轰炸机（NGBNGB）追）追 求的重点，希望求的重点，希望NGBNGB能够深入敌方腹地，对加能够深入敌方腹地，对加 固型或者深藏于地下的目标进行精确打击。固型或者深藏于地下的目标进行精确打击。 纵深打击对飞机生存能力的要求使得传统的纵深打击对飞机生存能力的要求使得传统的 轰炸机不适合此类任务轰炸机不适合此类任务 NGBNGB应能够长期巡弋在敌占区上空，等待目标应能够长期巡弋在敌占区上空，等待目标 出现后再给其以致命一击出现后再给其以致命一击 NGBNGB对未来发动机要求也必须具备两个基本对对未来发动机要求也必须具备两个基本对 立的技术状态要求：高空、高速大推力工作立的技术状态要求：高空、高速大推力工作 状态和低油耗的经济工作状态状态和低油耗的经济工作状态 未来远程打击作战任务未来远程打击作战任务 气温气温35
