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专题报告2
专题报告2
自上世纪三十年代,航空发动机的雏形就已经面世,从二战中飞机的投入作战,航空发动机发展就从此拉开序幕。
时至今日,随着科学技术的不断进步,航空发动机技术得到了很大的发展。
从开始低功率、低效率、低推重比到长寿命、低油耗、大功率的航空发动机不断涌现,其技术也相继成熟并批量生产和长期使用;由最初活塞式发动机到喷气式发动机、涡轮风扇发动机的发展。
(1)活塞式发动机时期
早期液冷发动机居主导地位很早以前,我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔,也曾作过各种尝试,但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。
最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试,但因为发动机太重,都没有成功。
到19世纪末,在内燃机开始用于汽车的同时,人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源,并着手这方面的试验。
1903年,莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后,成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。
这台发动机只发出8.95kw的功率,重量却有81kg。
发动机通过两根自行车上那样的链条,带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。
首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。
但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。
以后,在飞机用于战争目的的推动下,航空特别是在欧洲开始蓬勃发展,法国在当时处于领先地位。
美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机,但在参战时连一架可用的新式飞机都没有。
在前线的美国航空中队的6287架飞机中有4791架时法国飞机,如装备伊斯潘诺-西扎型液冷发动机的"斯佩德"战斗机。
这种发动机的功率已达130~220kw,飞机速度超过200km/h,升限6650m。
在两次世界大战之间,在活塞式发动机领域出现几项重要的发明:
发动机整流罩既减小了飞机阻力,又解决了气冷发动机的冷却困难问题,甚至可以的设计两排或四排汽缸的发动机,为增加功率创造了条件;废气涡轮增压器提高了高空条件下的进气压力,改善了发动机的高空性能;变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出;内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题;向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一;高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性,使汽缸内燃烧前压力由2~3逐步增加到5~6,甚至8~9,既提高了升功率,又降低了耗油率。
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10kw增加到2500kw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0.50kg/(kw·h)降低到0.23~0.27kg/(kw·h)。
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800km/h,飞行高度达到15000m。
可以说,活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。
(2)燃气涡轮发动机时期
第二个时期从第二次设计大战结束至今。
60年来,航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代,居航空动力的主导地位。
在技术发展的推动下,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用,使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。
航空燃气涡轮喷气发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等部分构成。
新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压气机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气,然后进入涡轮段推动涡轮,将燃气的焓和动能转换成机械能输出,最后的废气由尾喷管排出。
而由涡轮输出的机械能中,一部分会
用来驱动压气机,另一部分则经由传动轴输出,用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统或飞行器螺旋桨等。
随着空气动力学的发展,人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点,解决了设计高效率轴流式压气机的问题,因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。
与此同时,透平效率也有了提高。
在高温材料方面,出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢,因而能采用较高的燃气初温,于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。
1939年,在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机,效率达18%同年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功,从此燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。
随着高温材料的不断进展,以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。
单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。
涡轮喷气式发动机应用于喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点,因为采用了涡轮驱动的压气机,因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。
按照涡喷发动机“工作循环”工作,它从大气中吸进空气,经压缩和加热这一过程之后,得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒(610米/秒)或者大约1400英里/小时(2253公里/小时)的速度从推进喷管中排出。
在高速喷气流喷出发动机时,同时带动压气机和涡轮继续旋转,维持“工作循环”。
涡轮发动机的机械布局比较简单,因为它只包含两个主要旋转部分,即压气机和涡轮,还有一个或者若干个燃烧室。
然而,并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性,因为热力和气动力问题是比较复杂的。
这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。
涡扇发动机全称为涡轮风扇发动机是飞机发动机的一种,由涡轮喷气发动机发展而成。
涡轮风扇发动机由风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮和排气系统组成。
其中高压压气机、燃烧室和高压涡轮三部分统称为核心机,由核心机排出的燃气中的可用能量,一部分传给低压涡轮用以驱动风扇,余下的部分在喷管中用于加速排出的燃气。
风扇转子实际上是1级或几级叶片较长的压气机,空气流过风扇后,分成两路:
一路是内涵气流,空气继续经压气机压缩,在燃烧室和燃油混合燃烧,燃气经涡轮和喷管膨胀,燃气以高速从尾喷口排出,产生推力,流经路程为经低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮,燃气从喷管排出;另一路是外涵气流,风扇后空气经外涵道直接排入大气或同内涵燃气一起在喷管排出。
涡轮风扇发动机组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点。
涡扇发动机转换大部分的燃气能量成驱动风扇和压气机的扭矩,其余的转换成推力。
涡扇发动机的总推力是核心发动机和风扇产生的推力之和。
这种有内外二个涵道的涡轮风扇发动机又称为内外涵发动机。
也就是说,涡扇发动机可以是分开排气的或混合排气的,可以是短外涵的或长外涵的。
涡轮螺桨发动机由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成。
由于涡轮轴转速远高于螺旋桨的工作转速,它们之间装有减速器。
在涡轮螺桨发动机,涡轮输出功率带动螺旋桨,使其产生拉力,而从喷管喷出的燃气产生的推力对整个推进力占很小的份额。
螺旋桨可由压气机轴直接驱动或由自由涡轮轴驱动。
螺旋桨是对大量的空气施加相对小的加速产生拉力,涡喷发动机是对
较小量的空气施加相对大的加速产生推力。
虽然涡桨发动机的燃烧室与涡轮喷气发动机类似,但为了自排废气中回收较多的动力以驱动螺旋桨,涡桨引擎的涡轮端之扇叶级数比较高。
相反的,由于涡轮喷气发动机主要的推进力都来自于热气直接排放至大气中所产生的反作用力,因此其涡轮端的扇叶级距数越小越好,只需保持足够的回收动力用来驱动压缩端的扇叶即可。
同活塞式发动机+螺旋桨相比,涡轮螺旋桨发动机有很多优点。
首先,它的功率大,功重比(功率/重量)也大,最大功率可超过10000马力,功重比为4以上;而活塞式发动机最大不过三四千马力,功重比2左右。
其次,由于减少了运动部件,尤其是没有做往复运动的活塞,涡轮螺旋桨发动机运转稳定性好,噪音小,工作寿命长,维修费用也较低。
而且,由于核心部分采用燃气发生器,涡轮螺旋桨发动机的适用高度和速度范围都要比活塞式发动机高很多。
未来发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响,而且发动机技术具有良好的军民两用特性,对国防和国民经济有重要意义。
因此,世界上几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策,将发动机技术列为国家和国防关键技术,给予大量的投资,保证发动机相对独立地领先发展,并严格禁止关键技术出口。
一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划,试图建立独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。
为满足21世纪各种航空器发展的要求,航空发达国家从上世纪80年代末开始实施新的涡轮发动机技术发展计划,其目标是到2005~2008年掌握使发动机能力翻番的技术。
所取得的阶段成果已经成功地用于一些在役发动机的改进改型和新型号研制,目前正处于最终目标的验证阶段。
鉴于计划的成功实施和发动机对航空发展产生的重要作用,有的国家已经拟订了进一步的发动机技术发展计划。
新计划在继续提高能力的同时更强调降低成本,其目标是从2006年到2015年使以发动机推重比与全寿命期成本之比来度量的经济承受性提高到10倍。
随着科学技术与工业水品的不断提高,航空发动机的制造越来越先进,以后的研发将向着高推重比、高效率、高寿命,以及高温合金材料的不断投入使用,使得航空发动机又进入一个新的发展阶段,航空发动机将跨入全新的里程碑式进步。
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