航空发动机

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1、飞行器发动机的分类吸气式发动扒麟气涡轮发动机i溟轮吟气发动粗涡轮闻显发动机冲压喷气发动机.脉动喷气发动扒涓轮赚旋架发动机 涓轮触发动机 1桨冈发动机化学火箭发动肌火箭喷羽啊伊烟炭赫1电火箭发动吼液体火箭发动粗同体火箭发动叽飞行器发动机分类飞行器发动机的主要功用是为飞行器提供推进动力或支持力，是飞行器的心脏。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，还有运载火箭上可以在外太空工作的火 箭发动机等，时至今日，飞行器发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同的大家族。飞行器发动机常见的分类原则有两种：按空气

2、是否参加发动机工作和发动机产生推进动 力的原理。按发动机是否须空气参加工作，飞行器发动机可分为两类，大约如下所示：吸空气发动机简称吸气式发动机，它必须吸进空气作为燃料的氧化剂（助燃剂），所以 不能到稠密大气层之外的空间工作，只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指 这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同，吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃 气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。火箭喷气式发动机是一种不依赖空气工作的发动机，航天器由于需要飞到大气层外，所 以必须安装这种发动机。它也可用作航空器的助推动力。按形成喷气流动能的能源不同，火 箭发动机又分为化学火箭发动机、电

3、火箭发动机和核火箭发动机等。按产生推进动力的原理不同，飞行器的发动机又可分为直接反作用力发动机、间接反作 用力发动机两类。直接反作用力发动机是利用向后喷射高速气流，产生向前的反作用力来推 进飞行器。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机，这类发动机有涡轮喷气发动机、冲压喷 气式发动机，脉动喷气式发动机，火箭喷气式发动机等。间接反作用力发动机是由 发动机带动飞机的螺旋桨、直 升机的旋翼旋转对空气作功，使空气加速向后（向下）流动时，空气对螺旋桨（旋翼）产生反作用力来推进飞行器。这类 发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨风扇发动机等。而 涡轮风扇发动机则既有直接反作用力，也有

4、间接反作用力，但常将其划归直接反作用力发动 机一类，所以也称其为涡轮风扇喷气发动机。活塞式发动机航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合，在密闭的容器（气缸）内燃烧，膨胀作功的 机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力。所以，作为飞机的动力装 置时，发动机与螺旋桨是不能分割的。（一）活塞式发动机的主要组成主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。气缸是混合气（汽油和空气）进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动。气缸头上 装有点燃混合气的电火花塞（俗称电嘴），以及进、排气门。发动机工作时气缸温度很高， 所以气缸外壁上有许多散热片，用以扩大散热面积。气缸在发动

5、机壳体（机匣）上的排列形 式多为星形或V形。常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气缸不等。 在单缸容积相同的情况下，气缸数目越多发动机功率越大。活塞承受燃气压力在气缸内作往 复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。连杆用来连接活塞和曲轴。曲轴 是发动机输出功率的部件。曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动而产生拉力。除此而外， 曲轴还要带动一些附件（如各种油泵、发电机等）。气门机构用来控制进气门、排气门定时 打开和关闭。（二）活塞式发动机的工作原理活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死 点的距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多

6、是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”，气缸头上的进气门打开，排气门关闭，活塞 从上死点向下滑动到下死点为止，气缸内的容积逐渐增大，气压降低一一低于外面的大气压。 于是新鲜的汽油和空气的混合气体，通过打开的进气门被吸入气缸内。混合气体中汽油和空 气的比例，一般是1比15即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即压缩冲程”。这时曲轴靠惯性作用继续旋转，把 活塞由下死点向上推动。这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐减少，混合 气体受到活塞的

7、强烈压缩。当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之间 的小空间内。这个小空间叫作“燃烧室”。这时混合气体的压强加到十个大气压。温度也增加 到摄氏4OO度左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量，使限制在燃烧室这个 小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的做功能力。当活塞处于下死点时，气缸内的容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室的容 积）。混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量。这个比值叫压缩比”。活 塞航空发动机的压缩比大约是5到8,压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功 率也就越大。压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。在压

8、缩冲程快结束，活塞接近上死点时， 气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约0.015 秒；但是速度很快，大约达到每秒30米。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达6O到75个 大气压，燃烧气体的温度到摄氏2000到250O度。燃烧时，局部温度可能达到三、四千度， 燃气加到活塞上的冲击力可达15吨。活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动， 推动连杆也门下跑，连杆便带动曲轴转起来了。10L 7r I H-J if排气活塞发 初机工作患理7 L这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程。其余三个冲程都是为这个冲程作准备的。喷气发磷机的早期设想第四个冲程是“排气冲

9、程”。工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续 旋转，使活塞由下死点向上运动。这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后的废气便通 过排气门向外排出。当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭， 进气门打开，活塞又由上死点下行，开始了新的一次循环。从进气冲程吸入新鲜混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为 推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环”。这是一种 周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫做“热循环”。活塞航空发动机要完成四冲程工作，除了上述气缸、活塞、联杆、曲轴等构件外，还需 要一些其他必要的装置和构件。（三

10、）活塞式航空发动机的辅助工作系统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。主要有进气系统（为了 改善高空性能，在进气系统内常装有增压器，其功用是增大进气压力）、燃油系统、点火系 统（主要包括高电压磁电机、输电线、火花塞）、起动系统（一般为电动起动机）、散热系 统和润滑系统等。涡轮喷气发动机在第二次世界大战以前，所有的飞机都采用活塞式发动机作为飞机的动力，这种发动机 本身并不能产生向前的动力，而是需要驱动一副螺旋桨，使螺旋桨在空气中旋转，以此推动 飞机前进。这种活塞式发动机+螺旋桨的组合一直是飞机固定的推进模式，很少有人提出过 质疑。到了三十年代末，尤其是在二战中，由于战争的需要，

11、飞机的性能得到了迅猛的发展， 飞行速度达到700-800公里每小时，高度达到了 10000米以上，但人们突然发现，螺旋桨 飞机似乎达到了极限，尽管工程师们将发动机的功率越提越高，从1000千瓦，到2000千瓦 甚至3000千瓦，但飞机的速度仍没有明显的提高，发动机明显感到“有劲使不上”。问题就出在螺旋桨上，当飞机的速度达到800公里每小时，由于螺旋桨始终在高速旋转， 桨尖部分实际上已接近了音速，这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降，推 力下降，同时，由于螺旋桨的迎风面积较大，带来的阻力也较大，而且，随着飞行高度的上 升，大气变稀薄，活塞式发动机的功率也会急剧下降。这几个因素合在一起

12、，决定了活塞式 发动机+螺旋桨的推进模式已经走到了尽头，要想进一步提高飞行性能，必须采用全新的推 进模式，喷气发动机应运而生。喷气推进的原理大家并不陌生，根据牛顿第三定律，作用 在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。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。事实上，这一原理很早就被应 用于实践中，我们玩过的爆竹，就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的。早在1913年，法国工程师雷恩.洛兰就获得了一项喷气发动机的专利，但这是一种冲 压式喷气发动机，在当时的低速下根本无法工作，

13、而且也缺乏所需的高温耐热材料。1930 年，弗兰克惠特尔取得了他使用燃气涡轮发动机的第一个专利，但直到11年后，他的发 动机在完成其首次飞行，惠特尔的这种发动机形成了现代涡轮喷气发动机的基础。现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的 涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，就必须遵循热机的做 功原则：在高压下输入能量，低压下释放能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式 发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是， 在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的，气体

14、依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动机的四个工作位置。空气首先进入的是发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看作气流以飞行速度流向发动 机，由于飞机飞行的速度是变化的，而压气机适应的来流速度是有一定的范围的，因而进气 道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时，在进气道前和进 气道内气流速度减至亚音速，此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍，大大超过压 气机中的压力提高倍数，因而产生了单靠速度冲压，不需压气机的冲压喷气发动机。进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片 对气流做功，使气流的压力，温度升高。在亚音速时，压气机是气

15、流增压的主要部件。从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能 在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在涡轮喷气发动机中，气流在涡轮中膨胀所 做的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后， 涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比，涡轮出口处 的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。加力式涡枪喷气发矽机从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后 排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力。讲一般来讲，

16、当气流从燃烧室出来时的温度越高，输入的能量就越大，发动机的推力也就 越大。但是，由于涡轮材料等的限制，目前只能达到1650K左右，现代战斗机有时需要短 时间增加推力，就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油，让未充分燃烧的燃气与喷入的 燃油混合再次燃烧，由于加力燃烧室内无旋转部件，温度可达2000K，可使发动机的推力增 加至1.5倍左右。其缺点就是油耗急剧加大，同时过高的温度也影响发动机的寿命，因此发 动机开加力一般是有时限的，低空不过十几秒，多用于起飞或战斗时，在高空则可开较长的 时间。随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动机的基础上，又发展了多种喷气发 动机，如根据增压技术的不同，有冲压发动机和脉动发动机；根据能量输出的不同，有涡轮 风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡