飛機的動力裝置

1、飛機的動力裝置3.3.1 概述為航空器提供動力，推動航空器前進的裝置，稱為航空動力裝置，也稱航空推進系統(tǒng)。它包括航空發(fā)動機以及為保證其正常工作所必需的系統(tǒng)和附件，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和防火系統(tǒng)等。 航空推進系統(tǒng)是利用反作用原理為航空器提供推力的。根據(jù)牛頓第三定律，航空推進系統(tǒng)驅(qū)使一種工質(zhì)(工作介質(zhì))沿飛行相反方向加速流動，工質(zhì)就在航空器上施加一個反作用力。推動航空器前進的這個反作用力就是推力，其大小等于工質(zhì)質(zhì)量與工質(zhì)在推進系統(tǒng)內(nèi)加速度的乘積。發(fā)動機是飛行器的動力源，它的性能對飛行器性能有極重要的影響。人們常形象地稱之為飛行器的心臟。與航空器的發(fā)展史一樣，航空發(fā)動機也經(jīng)歷了百

2、余年的發(fā)展。1885年，美國人萊特兄弟在技師泰勒的幫助下，設(shè)計制造了一臺活塞式汽油發(fā)動機，1903年將這種發(fā)動機和螺旋槳裝于萊特兄弟制造的一架雙翼飛機，完成了人類歷史上的首次有動力的飛行，開創(chuàng)了飛行的新紀(jì)元。從二十世紀(jì)初到二十世紀(jì)四十年代中期，所有帶動力的飛行器都毫無例外的以活塞式發(fā)動機/螺旋槳為動力裝置。飛行速度乘推力即是發(fā)動機需要提供的推進功率。如果不考慮由螺旋槳軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M功率過程的損失，則發(fā)動機的輸出功率就等于推進功率。1943年左右，活塞式發(fā)動機已發(fā)展到很高的水平，單臺發(fā)動機的功率可達2800kW,，耗油率近似為0.3kg/(kW.h),功率與發(fā)動機質(zhì)量的比值等于1.01.4kW

3、/kg, 1935年，德國人漢斯 馮 奧海因 (Hans von Ohain) 博士開始世界上第一臺離心式噴氣發(fā)動機 HeS-3A 的設(shè)計，于1936年完成研制。該發(fā)動機的發(fā)展型 HeS-3B 由海特爾 昆特 (Hertel Gnter) 博士完成，推力約400daN，裝于首架噴氣式飛機亨克爾He-178 上，1939年8月27日完成首飛，使飛機的飛行速度達到700 km/h。1942 年，另一位德國人海爾伯特 瓦格納 (Herbert Wagner) 教授完成了世界上第一臺軸流燃氣渦輪發(fā)動機的研制。在瓦格納教授的研究基礎(chǔ)上，奧地利工程師安塞爾姆 弗朗茲 (Anselm Franz) 博士加以

4、改造和完善，最終設(shè)計定型為容克 Jumo 004 渦噴發(fā)動機，推力882daN，用作二戰(zhàn)時期德國著名的Me-262雙發(fā)噴氣式戰(zhàn)斗機的動力。單軸不加力的渦輪噴氣發(fā)動機(簡稱渦噴發(fā)動機)結(jié)構(gòu)簡圖表示于圖3.3.1。圖3.3.1(a)是具有軸流壓氣機的渦噴發(fā)動機，圖3.3.1(b)是具有離心式壓氣機的渦噴發(fā)動機。發(fā)動機工作時，空氣連續(xù)不斷地被吸入壓氣機，并在其中壓縮增壓后，進入燃燒室中噴油燃燒成為高溫高壓燃氣，再進入渦輪中膨脹作功以驅(qū)動壓氣機。經(jīng)過渦輪的氣流仍然具有較高的壓力和溫度，通過尾噴管以高速排出發(fā)動機，產(chǎn)生反作用推力。假定來流速度，排氣速度，流經(jīng)發(fā)動機的空氣流量，由于，因此發(fā)動機對氣流施以向

5、后的作用力，其大小為，即質(zhì)量乘加速度。根據(jù)力的相互作用原理，氣流對發(fā)動機產(chǎn)生大小相等方向相反的力，此力即為推力： (3.3.1)與活塞式發(fā)動機/螺旋槳動力裝置比較，渦輪噴氣發(fā)動機有如下主要特點：1)、活塞式發(fā)動機是熱機但本身不能產(chǎn)生推力，只能從軸上輸出功率帶動螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推力，所以螺旋槳稱為推進器?；钊桨l(fā)動機(熱機)加螺旋槳(推進器)稱為活塞式動力裝置。渦輪噴氣發(fā)動機既是熱機又是推進器；(a)帶有軸流壓氣機的渦輪噴氣發(fā)動機b) 帶有離心式壓氣機的渦輪噴氣發(fā)動機圖 3.3.1 典型的渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖2)、在一定的飛行速度范圍內(nèi)，隨著飛行速度的增加，渦輪噴氣發(fā)動機產(chǎn)生的推力增加，因

6、為進入發(fā)動機的空氣質(zhì)量流量隨著飛行速度的增加而增加，因此渦輪噴氣發(fā)動機適于高速飛行；3）、活塞式發(fā)動機工作時，空氣是間斷地進入氣缸，氣體的壓縮、燃燒和膨脹過程發(fā)生在同一氣缸中，只有一個行程對外作功；而燃氣輪機工作時，空氣是連續(xù)不斷地被吸入，氣體的壓縮、燃燒和膨脹過程分別在壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管等不同部件中連續(xù)地進行，因而渦輪噴氣發(fā)動機有更大地功率輸出；4）、活塞式發(fā)動機是往復(fù)機械，慣性力大，故轉(zhuǎn)速不能太大，渦輪噴氣發(fā)動機是旋轉(zhuǎn)機械，轉(zhuǎn)速可以較高； 5）、活塞式發(fā)動機的燃燒過程在封閉的空間中進行，燃燒過程中氣體的壓力和溫度急劇地上升，必須采用笨重的汽缸；渦噴發(fā)動機地燃燒過程在開口的空間進行

7、，燃燒過程基本上是等壓的，燃燒室結(jié)構(gòu)輕巧；6）與活塞式發(fā)動機相比，渦噴發(fā)動機最大的缺點是經(jīng)濟性差。渦噴發(fā)動機的出現(xiàn)，是熱機發(fā)展史上的重大突破，不僅使飛機突破了聲障而且能達到聲速的3倍以上。從20世紀(jì)40年代末到21世紀(jì)初，與噴氣戰(zhàn)斗機的發(fā)展歷程類似，噴氣發(fā)動機的發(fā)展也大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。第一代，大約從20世紀(jì)40年代末到50年代中,典型的代表有在朝鮮戰(zhàn)場中國人民志愿軍使用的蘇制米格15飛機/BK1-F渦噴發(fā)動機對美國F86佩刀式飛機/J47渦輪噴氣發(fā)動機，兩者都是亞聲速飛機。BK1-F的推力約為3000kgf,發(fā)動機推重比為2.0左右。屬于第一代的典型的代表還有蘇聯(lián)米格19/-9,表一列有典型的第一代航空燃氣輪發(fā)動機。表 3.3.1 第一代發(fā)動機國別發(fā)動機型號類型裝備的飛機機推力/重重比蘇聯(lián)BK-1F渦輪噴氣米格152.034美國J47渦輪噴氣F86蘇聯(lián)-9加力渦輪噴氣米格19美國J57加力渦輪噴氣F100第二代噴氣發(fā)動機，大約從20世紀(jì)50年代中使用到70年代，其典型代表列于表