航空工程与技术概论 第九章 航空发动机 活塞式发动机 涡轮喷气发动机 涡桨发动机 涡轮风扇发动机 涡轴发动机 桨扇发动机 v 航空发动机（aero-engine），是为航空器提供推动力或支持力的 装置，是航空器的心脏 v 自从飞机问世以来的几十年中，发动机得到了迅速的发展，从早期 的低速飞机上使用的活塞式发动机，到可以推动飞机以超音速飞行的 喷气式发动机，航空发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同 的大家族 v 从发展历程来说，航空发动机经历了两个显著的发展时期，即：活 塞式发动机时期和燃气涡轮发动机时期 航空发动机分类： 在过去的一个航空百年里，人类所使用的主要的航空发 动机，可分为两大类: 1、活塞式发动机 冷却方式（液冷式、气冷式） 气缸排列方式(星形、V形、直列式、对列式、X形) 2、空气喷气式发动机 无压气机（冲压式喷气发动机、脉动式喷气发动机） 有压气机（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、螺桨风扇发动机） 与航空器的发发展史一样样，航空发动发动 机也经历经历 了百余 年的发发展 飞行者1号的活塞发动机 从二十世纪初到二十世纪四十年代中期，所有带 动力的飞行器都毫无例外的以活塞式发动机/螺 旋桨为动力装置。
1935年，德国人汉斯 • 冯 • 奥海因 (Hans von Ohain) 博士开始世界上第一台离心式 喷气发动机 HeS-3A 的设计，于1936年完 成研制 1942 年，另一位德国人海尔伯特 • 瓦格纳 (Herbert Wagner) 教授完成了世界上第一 台轴流燃气涡轮发动机的研制 从20世纪40年代末到21世纪初，与喷气战斗机的发 展历程类似，喷气发动机的发展也大致经历了四次 更新换代 第一代航空燃气轮发动机 国别发动机型号类型装备的飞机推力/重量比 苏联BK-1F涡轮喷气米格15～2.0 3～4 美国J47涡轮喷气F86 苏联РД-9Б加力涡轮喷气米格19 美国J57加力涡轮喷气F100 20世纪40年代末到50年代中 第二代航空燃气轮发动机 国别发动机型号类型装备的飞机推力/重量比 苏联P11-300加力涡轮喷气米格21 5～6 苏联P29-300加力涡轮喷气米格23 美国J79-GE-3加力涡轮喷气F104 美国J79-GE-17加力涡轮喷气F－4 20世纪50年代中使用到70年代 第三代典型发动机 国别发动机型号类型装备的飞机推力/重量比 俄罗斯ΑЛ－31φ 加力涡轮风扇 苏－27 ～8.0 俄罗斯ΡД-33米格－29 美国F100-PW100F15C、F16 美国F100-GE100F15E、F16C 美国F404-GE400F/A-18 欧洲RB199狂风 法国M88-2幻影－2000 从1974年到21世纪初期，装有第三代喷气发动机 的战斗机都是战斗机中的主力。
第四代典型发动机 国别发动机型号类型装备的飞机推力/重量比 美国F119 加力涡轮风扇 F-22 ～10.0 俄罗斯ΑЛ－41φ米格1.42 第四代战斗机要求发动机的推重比要在 10以上，采用矢量推力喷管，有良好的 隐身能力等 活塞式发动机 活塞式航空发动机 Aircraft Piston Engine 为航空器提供飞行动力的往复式内燃机 发动机带动空气螺旋桨等推进器旋转产生 推进力 小功率活塞式航空发动机比燃气涡轮发 动机经济，在轻型低速飞机上仍得到应用 活塞式发动机的主要组成 活塞式发动机主要由汽缸 、活塞、连杆、曲轴、分 气机构、螺旋桨减速器和 机匣等部件组成 活塞式发动机的工作原理 1—气缸；2-活 塞；3-进气门； 4-进气阀；5-排 气门；6-排气阀 ；7-连杆；8-曲 轴 活塞式发动机的工作原理 活塞式发动机的工作原理 “进气冲程” 进进气门门打开，排气门门关闭闭，活塞从上死点向下 滑动动到下死点为为止，气缸内的容积积逐渐渐增大， 气压压降低——低于外面的大气压压新鲜鲜的汽油 和空气的混合气体，通过过打开的进进气门门被吸入 气缸内。
活塞式发动机的工作原理 “压缩冲程” 曲轴轴靠惯惯性作用把活塞由下死点向上推动动 ，进进气门门和排气门门关闭闭，气缸内容积积逐渐渐减少 ，混合气体受到活塞的强烈压缩压缩 被压缩压缩 在“ 燃烧烧室”压压强到十个大气压压温度到摄摄氏4OO 度左右 活塞航空发动发动 机的压缩压缩 比大约约是5到8，压压 缩缩比越大，气体被压缩压缩 得越厉厉害，发动发动 机产产生 的功率也就越大 活塞式发动机的工作原理 “工作冲程” 压缩压缩 冲程结结束，活塞接近上死点时时，气缸头头上 的火花塞通过过高压电产压电产 生了电电火花，将混合气 体点燃，燃烧时间烧时间 很短，大约约0.015秒；但是速 度很快，大约约达到每秒30米压压强可达6O到75 个大气压压，温度达摄摄氏2000到250O度燃气加 到活塞上的冲击击力可达15吨 工作冲程是使发动发动 机能够够工作而获获得动动力的唯一冲 程其余三个冲程都是为这为这 个冲程作准备备的 活塞式发动机的工作原理 “排气冲程” 工作冲程结结束后，由于惯惯性，曲轴继续轴继续 旋转转， 使活塞由下死点向上运动动这时进这时进 气门门仍关闭闭 ，排气门门大开，燃烧烧后的废废气便通过过排气门门向 外排出。
然后排气门门关闭闭，进进气门门打开，活塞 又由上死点下行，开始了新的一次循环环 这这是一 种周而复始的运动动由于其中包含着热热 能到机械能的转转化，又叫做“热热循环环” 活塞式发动机的辅助工作系统 进进气系统统 进进气系统统内常装有增压压器来增大进进气压压力 ，以此改善高空性能 燃料系统统 燃料系统统由燃料泵泵、气化器或燃料喷喷射装 置等组组成燃料泵泵将汽油压压人气化器，汽油 在此雾雾化并与空气混合进进入气缸 发动机除主要部件外，还须有若干辅助系统与之配合才能工作 活塞式发动机的辅助工作系统 点火系统统 点火系统统由磁电电机产产生的高压电压电 在规规定的 时间产时间产 生电电火花，将气缸内的混合气体点燃 冷却系统统 发动发动 机内燃料燃烧时产烧时产 生的热热量除转转化为为 动动能和排出的废废气所带带走的部分内能外，还还 有很大一部分传给传给 了气缸壁和其他有关机件 冷却系统统的作用就是将这这些热热量散发发出去 ，以保证发动证发动 机的正常工作 活塞式发动机的辅助工作系统 启动动系统统 将发动发动 机发动发动 起来，需要借助外来动动力， 通常用电动电动 机带动带动 曲轴转动轴转动 使发动发动 机动动。
定时时系统统 定时时系统统是由曲轴带动轴带动 凸轮盘轮盘 推动连动连 杆 和摇摇臂，定时时将进进气活门门和排气活门门开启 和关闭闭的系统统 活塞式发动机的两种典型的冷却方式： V形排列星形排列 热机 活塞式发动机是热机 但本身不能产生推力，只能从轴上 输出功率带动螺旋桨，由螺旋桨产 生推力，所以螺旋桨称为推进器 活塞式发动机(热机)加螺旋桨(推进 器)称为活塞式动力装置 螺旋桨的构造与工作原理： 活塞式发动发动 机必须带动须带动 螺旋桨桨，由螺旋桨产桨产 生推（ 拉）力作为飞为飞 机的动动力装置，发动发动 机与螺旋桨桨是不能 分割的 螺旋桨的构造与工作原理： 螺旋桨的型式 ： 螺旋桨的构造与工作原理： 螺旋桨从构造上分为： 定矩螺旋桨和变距螺旋桨 定矩螺旋桨是桨叶角固定的螺旋桨它应 用在飞行速为200km/h以下的小飞机上 变矩螺旋桨是桨叶角可改变的螺旋桨它应 用在飞行速大于200km/h的大飞机上 螺旋桨的构造与工作原理： 航空活塞式发动发动 机主要性能指标标： 活塞式发动机的主要要求是重量轻、功率大、 尺寸小和耗油省等，因此活塞式发动机的主要 性能指标有以下几个： (1)发动机功率 (2)功率重量比 (3)燃料消耗率 活塞式航空发动机发展阶段 逐步退出主要航空 领域，广泛应用在轻型 低速飞机和直升机上。
气冷发动机发展迅速 ，发动机的性能提高很快 ，达到其发展的顶峰 液冷发动机 居主导地位 早期 两次世界 大战期间 喷气时代 活塞式航空发动机的发展 v 活塞式航空发动机发展早期，法国处于领先地位当时装备伊斯潘诺-西扎V型 液冷发动机的"斯佩德"战斗机的功率已达130~220kW, 功重比为0.7kW/daN左右 飞机速度超过200km/h，升限6650m v 在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kW增加 到2500 kW左右，功率重量比从0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率从 每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约0.50 kg/(kWh)降低到0.23~0.27 kg/(kWh)翻修寿命从几十小时延长到2000~3000h到第二次世界大战结束时 ，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从 16km/h提高到近800 km/h，飞行高度达到15000 m v 涡轮喷气发动机的发明开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域 ，但功率小于370 kW的水平对缸活塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升 机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机。
活塞式航空发动机举例 飞行者1号的活塞发动机 R-2800——普惠公司生 产的双排"双黄蜂"，属 于气冷星型发动机这 种发动机在航空史上占 有特殊的地位 活塞式航空发动机举例 P-47，绰号“雷电”，装备R-2800发动机，是美国共和飞机公司研 制的战斗机该种机型产量达到15683架，是美国战斗机史上生产量 最大的飞机之一 活塞式航空发动机举例 R-3350，莱特公司生产的双 排气冷星型发动机，1941 年投入使用，开始时功率为 2088kW，主要用于著名的 B-29"空中堡垒"战略轰炸机 活塞式航空发动机举例 B-29战略轰炸机，装备 莱特公司的R-3350发动 机世称“超级空中堡 垒”“史上最强的轰炸 机”，在轰炸东京等二 战及之后的战场都可以 看到他的身影，广岛和 长崎的两次原子弹袭击 ，B-29也是空中平台 活塞式航空发动机举例 v 由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退 出主要航空领域，但功率小于370 kW的水平对缸活塞式发动机发动机仍 广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育 运动机、私人飞机和各种无人机。
v 美国NASA已经实施了一项通用航空推进计划，为未来安全舒适、操作 简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术方案是用狄塞尔循环活塞 式发动机，用它的飞机有4个座位，速度偏低对发动机的要求为： 功率 为150 kW； 耗油率0.22 kg/(kWh)； 满足未来的排放要求； 制造和维修 成本降低一半到2000年，该计划已经进行了500h以上的发动机地面试 验，功率达到130 kW，耗油率0.23 kg/(kWh) 喷气时代的活塞式发动机 燃气涡轮发动机 原理 空气喷气发动机 牛顿第三定律 -- 作用力等于反作用力 喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的 空气，燃烧后高速喷出在此过程中，发动机 向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动 机一个反作用力，推动飞机前进 喷气发动机的推重比 推力和发动发动 机的净净重 之比，称为发动为发动 机的推重 比推重比是一个综综合性 的性能指标标，它不仅。