发动机的性能指标 发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。同时，发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。因此，发动机构造的变革和多样性是与发动机性能指标的不断完善和提高密切相关的。 一、动力性指标 动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。 1.有效转矩 发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作Te，单位为N·m 。有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。 2.有效功率 发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，记作pe 单位为KW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用公式计算出发动机的有效功率pe： 式中：Te—有效转矩，N·m； n—曲轴转速，r/min。 3.发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用n 表示，单位为r/min 。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。标定功率不是发动机所能发出的最大功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。有效转矩也随发动机工况而变化。因此，汽车发动机以其所能输出的最大转矩及其相应的转速作为评价发动机动力性的一个指标。 4.平均有效压力 单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，记作pme，单位为MPa 。显然，平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。 二、经济性指标 发动机经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率等。 1.有效热效率 燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率，记作ηe。显然，为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少，有效热效率越高，发动机的经济性越好。 2.有效燃油消耗率 发动机每输出1kW 的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/（kW·h）。 式中：B—发动机在单位时间内的耗油量，kg/h； Pe—发动机的有效功率，kW。 显然，有效燃油消耗率越低，经济性越好。 三、强化指标
PT6系列发动机是加拿大普惠公司的产品，包括涡桨和涡轴变种，是当前使用最为广泛的输出轴功率的航空发动机之一。在美国军用编号中，PT6的相应型号分别被命名为T74和T101。 与首台在1963年面世的450SHP轴马力的PT6A发动机相比，如今PT6发动机系列的功率增加了四倍，功重比提高了40%，燃油消耗率降低了20%。 据了解，PT6发动机已生产了52000多台，并被应用在130个不同领域，PT6发动机所在机队的飞行时间已累计多达3.9亿小时。在全球航空领域普遍进行的重要任务中都能找到PT6发动机，从救援工作到预定的客运服务，从货运服务到要客接送，从农业应用到军事飞行培训、从消防救火到搜救任务。PT6A发动机高可靠性也加速了20世纪80到90年代的单发涡桨飞机的发展。
PT6A 是涡桨发动机，PT6B 和PT6C 是涡轴发动机。PT6发动机的各变种及参数如下： PT6A http://www.pwc.ca/en/engines/pt6a PT6A 家族包括了一系列自由涡轮涡桨发动机，输出功率500-1940shp （433-1447 kW ） Thermodynamic Power Class* (ESHP***) Mechanical Power Class* (SHP) Propeller Speed (Max. RPM) Height** (Inches) Width** (Inches) Length** (Inches) PT6A 'Small' (A-11 to A-140) 600 to 1075 500 to 900 1,900 to 2,200 21 to 25 21.5 61.5 to 64 PT6A 'Medium' (A-41 to A-62) 1,000 to 1,400 850 to 1,050 1,700 to 2,000 22 19.5 66 to 72 PT6A 'Large' (A-64 to A-68) 1,400 to 1,900 700 to 1,700 1,700 to 2,000 22 19.5 69 to 75.5 The PT6A family is a series of free turbine turboprop engine providing 500 to 1,940shp (433 to 1,447 kW) Small
0 概述 涡轮螺旋桨（简称涡桨）发动机是一种主要依靠螺旋桨产生的拉力或推力驱动飞机的航空动力装置，非常适合中等飞行速度（400～800km/h ）的飞机使用。与航空活塞式发动机相比，涡桨发动机具有功重比大、迎风面积小、振动小等优点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；与涡轮喷气和涡扇发动机相比，它又具有耗油率低、起飞推力大等优点。涡桨发动机的这些特点对于往返于中小型机场甚至简易机场的短、中程运输飞机和通用飞机来说是非常适宜的。自20世纪50年代起，世界各国纷纷发展了以涡桨发动机和涡扇发动机为动力的中型运输机，其后因涡桨发动机高速性能不理想，市场逐渐被涡扇发动机挤占。近年来，由于燃油价格飙升，涡桨飞机的经济性优势更为凸显出来，同时随着螺旋桨设计、制造技术的进步，涡桨飞机在高亚声速 国外涡桨发动机的发展 摘 要:以航空发动机的技术性能为重点，通过对比、分析涡桨发动机的发展历程、发展现状，发展途径和发展计划，预测其未来的技术发展趋势并整理出成功的发展经验，为我国涡桨发动机的发展提供参考。 Abstract: Focusing on the technical performance characteristics of aero-engine,this article analyzes the development status, approach,trend,experience of turbo-propeller engines, and provides reference for the turbo-propeller engine research. 关键词：涡桨发动机；发展现状；发展途径；发展趋势；发展经验 Keywords: turbo-propeller engine ；development status ；development approach ；development trend ； development experience The Development Prospect of Turbo -Propeller Engines 周辉华/中航工业航空动力机械研究所 飞行时的推进效率大大提高，涡桨飞机重新受到军民用户的青睐，其市场开始逐渐复苏，涡桨发动机也被誉为“明天的绿色动力”、“支线飞机的脊梁”。 本文通过对比、分析国外涡桨发动机的发展历程、发展途径，整理出成功的发展经验和未来发展趋势，为我国涡桨发动机的发展及航空发动机产业的腾飞提供参考。 1 国外涡桨发动机发展历程和现状 1.1 国外涡桨发动机发展历程 1942年，英国研制出世界上第一台涡桨发动机“曼巴（Memba ）”，配装在皇家海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。1945年由Derwent 涡喷发动机发展成的涡桨发动机，装于皇家空军著名的“流星”战斗机上首飞成功，标志着涡桨发动机进入实用阶段。此后，英国、美国和前苏联也陆续研制 出多种涡桨发动机，如Dart 、T56、AI -20和AI -24等。强劲的动力造就了一大批声名显赫的运输机和轰炸机。例如，美国于1956年服役的涡桨发动机T56/501，配装于C -130运输机、P -3C 侦察机和E -2C 预警机等多型飞机，经过不断改进改型，功率从2580 kW 发展到4414 kW ，用途上从军用转化为民用，且成系列化发展，目前已生产了17000多台，出口到50多个国家和地区。据报道，目前T56发动机仍在不断发展中，可能还会再服役30年；前苏联的NK -12M 的起飞功率达11025kW,是世界上功率最大的涡桨发动机，用于图-95“熊”式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机等。 加拿大普惠公司的PT6A 发动机在民用涡桨发动机领域，无论是生产数量还是产值，都当之无愧扮演了领头羊角色。短短40年间，该发动机已系列化发展出数十个型别，功率范围涵
发动机的性能指标 发动机的性能指标 发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。同时，发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。因此，发动机构造的变革和多样性是与发动机性能指标的不断完善和提高密切相关的。 一、动力性指标 动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。 1.有效转矩 发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作Te，单位为N·m。有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。 2.有效功率 发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，记作pe单位为KW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用公式计算出发动机的有效功率pe： 式中：Te—有效转矩，N·m； n—曲轴转速，r/min。 3.发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用n表示，单位为r/min。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。标定功率不是发动机所能发出的最大功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。有效转矩也随发动机工况而变化。因此，汽车发动机以其所能输出的最大转矩及其相应的转速作为评价发动机动力性的一个指标。 4.平均有效压力 单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，记作pme，单位为MPa。显然，平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。 二、经济性指标 发动机经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率等。
D-18A 涡轮风扇发动机外形 牌号D-18A 结构形式双转子 推力范围1765daN 现状研制中 装机对象 研制情况 D-18A 是波兰航空研究所研制的一种全新双转子涡轮风扇发动 机，1992 年4 月16 日首次试车。 K-15 涡喷发动机外形 牌号K-15 结构形式单转子 推力范围1470daN 现状生产 装机对象波兰1-22 串列双座教练机、侦察机和对地攻击机。 研制情况 K-15 是波兰航空研究所研制的单转子涡轮喷气发动机。计划于1988 年中公布，目前正由波兰热舒夫工厂生产。 SO-1/SO-3 牌号SO-1/SO-3 结构形式单转子 推力范围980～1080daN UnRegistered 现状停产 产量SO-1 共生产30 台，SO-3 共生产580 台 装机对象SO-1 TS-11 教练机。 SO-3B TS-11 教练机。 SO-3W22 I-22 教练机、侦察机和对地攻击机。 研制情况 SO-1 单转子涡轮喷气发动机是波兰航空研究所设计的，由波兰 热舒夫工厂生产。保证翻修寿命为200h。SO-3 是由SO-1 改进而来，适用于热天气候工作，对压气机、燃烧室和涡轮作了少量修改，外廓尺寸不变。翻修寿命400h。燃油喷嘴和火焰筒经修改后出口温度场 更均匀。 TWD-10B 涡桨发动机外形 牌号TWD-10B 结构形式自由涡轮式单转子 推力范围754kW 现状生产 装机对象安-28 短距起落轻型运输机。 研制情况 TWD-10B 涡桨发动机是波兰热舒夫工厂按前苏联鄂木斯克/格 鲁申柯夫设计局设计的ТВД-10Б涡桨发动机的许可证制造的。翻修寿命1000h。
国产涡桨发动机的发展方向剖析 【摘要】自中国第一台涡轮螺旋桨发动机——WJ5于1965年试制成功以来，国产涡桨发动机历经风风雨雨快40余年，发动机的研制和生产技术取得了巨大的进步。纵观我国航空器的设计和研发基本都走同样的路线：引进—仿制—吸收—改进—自主研发的过程，航空发动机当然也不例外。至今已经形成了涡桨5、涡桨6、涡桨9等一系列涡轮螺旋桨发动机，在国产运-7、运-8和运-12等运输机上广泛运用，笔者从我国现有的技术水平和飞机生产需求方面分析国产涡桨发动机的发展趋势。 【关键词】涡桨发动机;发展;方向 涡桨-6系列发动机是我国涡轮螺旋桨发动机的典型代表，是中国株洲南方航空动力公司生产，现已经诞生出WJ6、WJ6C、WJ6D、WJ6E等多个型号，在我国某型飞机上装备，其单台功率达到4250当量马力，是我国目前生产的功率最大的涡轮螺旋桨航空发动机。 涡桨-5发动机是我国涡桨发动机的另一代表，由哈尔滨120厂生产，衍生出WJ5、WJ5A、WJ5B、WJ5AI和WJ5E等系列型号，主要装备于我国Y-7型系列飞机和SH-5型飞机上，单台可达2790当量马力。 涡桨-9发动机是株洲南方航空动力公司在原涡轴8A基础上改型而来，用于国产Y12飞机，代替进口的加普惠PT-6A型发动机，输出功率约为500kw。 随着飞机改型研发的不断深入，对发动机提出的要求也不断增加，如：要求提供更多供电输出，提升起飞功率，降低油耗，提高可靠性，提高“三防”性能，满足未来电传集成要求等等，对国产发动机提出了更高要求，促使发动机跟进改型。 我国的Y7系列飞机和SH5型号飞机使用WJ5系列型号发动机，新舟60系列飞机和Y12飞机则是我国的出口型飞机，它们分别采用加普惠公司的PW-127J 发动机和PT6A-27型发动机，是国外涡桨发动机在国产飞机上的应用代表。纵观国外航空发动机发展过程和我国涡桨发动机的现状，飞机发展的需要，很容易发现国产发动机的特点，看出国产涡桨发动机的发展必然趋势。 1.涡桨型航空发动机必然长期存在 众所周知，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率高于涡扇发动机和喷气式发动机，在中低速飞机中有广泛的需求，如在巡逻、灭火等方面有广泛运用。 其次，涡桨发动机安全性高，对飞行场地要求相对较低，成本低。在小型客机，私人飞机、公务机、农业飞机和多用途飞机上有广泛运用。
涡桨发动机控制技术演变及趋势 摘要：涡桨发动机是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的动力。且 由于螺旋桨技术的不断进步，螺旋桨飞机在高亚声速飞行时的推进效率也大大提高，噪声水平已大幅度下降，其乘坐舒适性基本与涡扇发动机相当。发动机在最 高可达700km/h的亚声速飞行速度范围内的经济性远远超过相应推力等级的涡喷 和涡扇发动机，因而是亚声速飞机尤其是运输机的主要动力装置。 关键词：涡桨发动机；控制；发展 1 国际现有螺旋桨产品的梳理分析 1.1 功率等级 为了确定螺旋桨的功率等级，本文将配装发动机功率为1500kW以下的螺旋 桨称为小功率螺旋桨，功率为1500kW以上的螺旋桨称为大功率螺旋桨。美国哈 策尔（HARTZELL）、欧洲MT所产品主要为小功率螺旋桨，主要装机对象为PT6A 系列和TPE331系列发动机。作为世界最重要的大功率螺旋桨供应商之一，英国 道蒂的螺旋桨产品应用于PW150系列发动机，配装发动机的功率等级达到 3700kW以上。俄罗斯Aerosila的产品功率覆盖范围较广，美法合资FigeacRatier 所列出的产品主要为大功率螺旋桨，被应用于C130和P–3C等知名机型。 1.2 桨叶材料 目前，螺旋桨桨叶主要包括实心叶片或复合材料空心叶片两种类型。从美国 哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率的螺旋桨采 用实心叶片。而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用复合材料制成的叶片。 1.3 螺旋桨转速及直径 小功率等级的螺旋桨具有转速高和直径小的特点，800kW～1500kW功率的螺旋桨设计转速范围为1552～2200rpm，直径为2.25～3.6m。大功率等级螺旋桨的 设计转速在1300以下，直径在3.6m以上。 1.4 变距方式 从美国哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率 的螺旋桨采用“弹簧+单油路”的变距方式。而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用双 油路变距方式。 1.5 安装形式 螺旋桨的安装形式主要包括共轴和偏置两种，主要取决于发动机的减速器功 率输出形式，见图1和图2。减速器功率同轴式输出的发动机，具有径向尺寸小 和轴向尺寸长的特点；减速器功率偏置式输出的发动机，结构紧凑，轴向尺寸短，但是迎风面积较大。 图1 共轴式安装图2 偏置式安装 2 结构形式演变 如表1所示，许多20世纪80年代以前研制的涡桨发动机的控制系统采用了 机械液压式结构，如苏联伊伏琴科设计局40年代末期研制的AI-20单转子涡桨发 动机、普惠加拿大公司50年代研制的PT6A单转子涡桨发动机、美国艾利逊公司（1994年被罗罗公司收购）在20世纪40年代末期研制的T56单转子涡桨发动机等；自20世纪80年代中期以来，涡桨发动机基本采用数字电子控制系统实现对 发动机和螺旋桨的控制（详见表1）。 表1世界典型涡桨发动机控制系统结构形式
涡桨5 (WJ5) WJ5涡轮螺旋桨发动机外形 牌号涡桨5 用途民用涡桨发动机 类型涡轮螺旋桨发动机 国家中国 厂商哈尔滨东安发动机制造公司 生产现状WJ5A/AI/E生产 装机对象WJ5 Y-7 WJ5A SH-5 WJ5B Y-7/Y-7H WJ5AI/WJ5E Y-7/Y-7-100/Y-7-200B/Y-7H/Y-7H500 研制情况 涡桨5(WJ5)发动机是支线客机Y-7飞机的动力装置。1966年初在南方航空动力机械公司开始研制，1968年转由哈尔滨东安发动机制造公司继续研制生产，到1974年9月首次完成150h台架试验。1976年6月按照航空产品定型委员会(航定委)批准的试车大纲通过500h发动机设计定型台架试验，次年，WJ5发动机经航定委批准设计定型，并开始小批生产。发动机性能试飞是1975年完成的，共飞行107h。研制过程共用8台发动机进行了约 5680h台架试验。WJ5发动机曾在国内航线试用，因为在高温、高原环境起飞功率下降，使用受到限制，于1980年停止生产。 与WJ5发动机研制同时，海军于1969年8月提出研制涡桨型发动机作为水轰5(SH-5)飞机动力装置的任务。经论证，决定在WJ5发动机基础上重新设计涡轮部件，改型后的发动机编号为涡桨5甲(WJ5A)，起飞状态的当量功率提高442kW。1978年通过设计定型鉴定试验，次年完成发动机性能试飞，1980年初经航定委批准WJ5A发动机设计定型，装用WJ5A发动机的SH-5飞机于1985年投入使用。研制阶段生产了10台发动机用于台架试验和试飞，台架试验约2050h。 由于WJ5发动机在高温、高原环境条件下起飞功率不足，影响Y-7飞机在高温、高原地区使用。为改善Y-7飞机的性能，在Y-7飞机换***证会上决定研制WJ5AI发动机取代WJ5发动机作为Y-7飞机的动力装置。WJ5AI发动机的主要特点是将WJ5A降低起飞功率使用，同时吸收WJ5发动机在研制、生产和使用过程中所进行的设计改进成果，从而提高发动机工作可靠性、延长工作寿命，而且WJ5AI发动机的温度特性有了明显改善。WJ5AI的改型工作是从1979年底开始，1982年7月通过中国民航总局、空军、海军和航空工业部组织的技术鉴定。 为降低WJ5AI发动机燃油消耗率，改善其经济性，东安发动机制造公司和沈阳航空发动机研究所合作，请美国通用电气公司(GE公司)进行技术咨询，在 WJ5AI基础上重新设计涡轮部件，经改型设计形成WJ5E发动机。1987年5月中国政府批准这一合作工程项目实施，同年8月，与GE公司签订的技术咨询合同经批准正式生效。次年底完成了图纸设计，1990年9月完成样机装配和试验。经测试证明，WJ5E发动机的性能达到了改善经济性和预期目的。随后，两次通过CCAR33部规定的150h持久试验，并完成了CCAR33部规定的型号合格审定验证项目。1993年7月由飞行试验研究院完成了型号合格审定试飞，同年12月经中国民用航空总局批准，WJ5E发动机取得型号合格证。WJ5E发动机是中国首台按照中国
涡轮螺旋桨发动机 涡桨发动机是用燃气轮机驱动螺旋桨，同时还利用了喷气作推力。可分为直接传动式和自由涡轮式两种类型。涡轮需要通过减速器带动螺旋桨，减速器的作用是将高转速低扭矩变为低转速高扭矩并送到螺旋桨，减速比一般为5-15.推力由两部分组成，一部分螺旋桨产生，一部分发动机是喷气推进力。85%-95%燃气能量在涡轮中转换成机械能带动螺旋桨。 涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其原理简单的来说，空气进入进气道，在压气机的作用下增大压力，然后在燃烧室与燃料充分燃烧，带动涡轮旋转，产生高温高压燃气，然后在尾喷管中继续膨胀，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。 涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机基础上改进而来，因为涡轮喷气发动机在低速状态下油耗大，航程低。其原理是在进气道之后，压气机之前加了一排或者几排风扇，然后在压气机外围有一个管壁，直接通向加力燃烧室，称为外涵道；压气机至加力燃烧室这一段称为内涵道。空气进入进气道后，经过风扇，一部分空气进入外涵道直接进入加力燃烧室，另一部分空气则和涡喷发动机一样经过压力机加压，燃烧室燃烧，涡轮转动之后进入加力燃烧室，这样的好处就是低速时一部分空气未经燃烧直接与燃烧后的燃气混合排出，相比涡喷更加省油;高速加力时一部分未经燃烧的空气又可以在加力燃烧室与喷
出的油料充分的燃烧，相比涡喷更可以获得更大的推力。 涡扇发动机的内外涵道空气流量之比称为涵道比，涵道比的高低对发动机性能影响很大。涵道比大，其低速性能好，省油，但高速性能差。反之则相反。 涡轮螺旋桨发动机可以理解成一个超大涵道比的涡轮风扇发动机，其外部的风扇就相当于涡扇发动机的外涵道。由于涵道比超大，尾喷口产生的推力只有总推力的一点点，而且相对于涡扇发动机更加省油，在低速状态下拥有更好的性能，但由于螺旋桨的制约，速度只能维持在900KM以下。涡桨发动机由于具有省油，低速性能好的特点，被广泛应用于巡逻，灭火，反潜，运输，及民用领域。
161 161 第11章 发动机特性 11.1基本概念 全面了解发动机在所有工况下的性能指标的变化，对合理使用、检查与维修发动机，都有很强的适用价值。 11.1.1 发动机特性与特性曲线 1．发动机特性 发动机性能指标随调整情况及运转情况而变化的关系称为发动机特性。发动机性能指标主要有功率、转 矩、燃料消耗率、排气温度、排气烟度等； 调整情况主要指柴油机的供油提前角、汽油 机的点火提前角、发动机燃料等可调因素对 发动机性能的影响；运转情况一般指发动机 转速和负荷等。 2．特性曲线 为了直观显示发动机的特 性，常以曲线形式表示，称为发动机特性曲 线。图11-1为Audi （奥迪） 2.4L 四缸5 气门汽油机的外特性曲线。 3.发动机特性分类 发动机特性分调节特性和性能特性两大 类。 （1）调节特性 指发动机的性能指标随 调节情况而变化的关系。如柴油机的供油提 前角调节特性、汽油机的点火提前角调节特 性、汽油机的燃料调节特性等。 （2）性能特性 指内燃机的性能指标随 运行工况而变化的关系。如负荷特性、速度特性、调速特性、万有特性、螺旋桨特性等。 图11-1 发动机特性曲线 （Audi 2.4L5气门V6汽油机外特性）
162 162 11.1.2 发动机特性的制取 发动机特性需在专门的试 验台（俗称发动机台架）上进 行，图11-2显示了带水力测功 器的试验台的基本组成。它可 以模拟发动机的实际工况，使 其在要求的转速和负荷下工 作，并可以同步测量发动机在 各种工况下的功率、燃料消耗、 废气排放、气缸压力等性能参 数。 发动机特性试验，国家已 有标准，需按有关标准，在规 定的条件下进行。 11.2 发动机调节特性 发动机调节特性对发动机的正确调整、使用与维修关系 密切，值得重视。 11.2.1 柴油机供油提前角 调节特性 它是指在发动机转速一定和油量控制机构（如喷油泵的供油拉杆）位置一定条件下，其功率、燃料消耗率等性能指标随供 油提前角变化而变化的关系。 图11-3为柴油机供油提前角调节特性曲 线。由曲线可见，随着供油提前角θ的改变， 发动机的功率与燃料消耗率也随着变化。对应 于最大功率和最小燃料消耗率的供油提前角即 为最佳供油提前角。发动机使用维修时，应注 意按照使用说明书要求，检查调整发动机静态 最佳供油提前角。 最佳供油提前角是随着发动机的转速变化 而变化的，它一般由供油提前角自动调节装置 来控制。对于电控柴油机，则由ECU 根据发动 机工况精确控制。 11.2.2 汽油机点火提前角调节特性 它是指在发动机转速和节气门开度一定条件下，其功率、燃料消耗率等性能指标随点火提前角变化而变化的关系。 图11-2 发动机试验台 1-发动机 2-数显水温表 3-数显油压表 4-数显排温表 5-油门执行器 6-转速表 7- 负荷表 8-水门执行器 9-水温传感器 10-油压传感器 11-排温传感器 12-气 缸压力传感器 13-油压传感器 14-针阀升程仪 15-电 荷放大器 16-电荷放大器 17-霍尔针阀传感器 18-示波器 19-水力测功器 20-转角信号发生器 21-电荷放大器 22-Ａ/Ｄ转换板 23-微机 24-打印机 25-显示器 图11-3 柴油机供油提前角调
涡喷、涡扇、涡桨发动机的区别涡扇比涡喷省油，这是很多人都知道的。但是为什么省油，这里的道理就不一定清楚了。一般来说，涡扇的排气温度低，排气速度也低，为什么这就能够省油呢？ 从热力学第二定律的角度来说，在做功同样的情况下用能量最低的方式实现，其效率是最高的。但是涡扇的效率也可以用更加直观的能量守恒来讲。 涡喷是纯喷气发动机，进气通过核心发动机膨胀做功，然后从尾后喷出，产生全部推力。
涡扇是在涡喷前端加一级（或多级）风扇，风扇驱动气流大部分从函道绕过核心发动机（也称外函道），也就是图中的secondary air stream ；然后和通过核心发动机喷出的气流混合，也就是图中的primary air stream（也称内函道），两者共同产生推力。 涡桨相当于把涡扇的围壳去掉，核心发动机只产生极少推力，主要推力由螺旋桨产生。 喷气发动机的基本工作原理是燃气燃烧产生热，空气受热膨胀，高压空气向后喷射而出，形成推力。这是纯喷气发动机的情况。要是涡扇，一部分喷气的动能转化为机械能，驱动风扇产生额外的推力。要是涡桨，基本上绝大部分喷气的动能都转化为机械能，驱动螺旋桨产生推力了。 从能量守恒来说，燃气燃烧产生的热能与喷气所携带的动能和热能加上机械损耗的能量相等，也就是： 燃烧产生热能=喷气的动能+喷气的热能+机械损耗的能量 另一个关系式是发动机的推力。根据动量和冲量等价的公式， Ft=mV或者说，F=Vm/t
其中F是推力，V是喷气速度，m/t就是质量流量。换句话说，推力不单是由喷气速度产生的，而是喷气速度和喷气流量的乘积。只有两者都提高了，或者是一项提高的速度快于另一项降低的速度，才能增加推力。 另一方面， 单位时间里燃烧产生的热能=单位时间里喷气的动能+单位时间里喷气的热能+单位时间里的机械损耗的能量 假定单位时间里燃烧产生的热能不变，这是对给定耗油量的一个合理的假设，并假定忽略喷气所带的热能和机械损耗，那得出： 单位时间里喷气的动能=常数 也就是说， 1/2*m*V*V/t=常数或者说，1/2*F*V=常数 换句话说，在耗油量不变的情况下喷气速度增加将导致推力的降低。 再来看喷气温度。喷气所带的热能和温度有关，温度增加，热能增加。如果假定固定的热容和空气流量，那热能的增加和温度是呈现性关系的。是假热容量随温度会有所变化，空气流量也要随涡喷、涡扇改变，再次就不用考虑这些问题了。 由于， 单位时间里燃烧产生的热能=单位时间里喷气的动能+单位时间里喷气热能+单位时间里机械损耗的能量 喷气热能增加必然导致喷气动能的减少，所以喷气温度提高对增加推力不利。 涡扇将一部分喷气的动能转化为机械能，驱动风扇产生额外的推力。风扇的“鼓风”不通过核心发动机，而是从核心发动机外的同心环道里导向后方，
火箭发动机的基本性能参数 （1）推力 火箭发动机的推力就是作用在发动机内外表面的各种力的合力。图3-2所示为发动机的推力室，它由燃烧室和和喷管两部分组成。作用在推力室上的力有推进剂在燃烧室内燃烧产生的燃气压力p e ,外界的大气压力p 0，以及高温燃气进过喷管以很高的速 度向后喷出所产生的反作用力。由于喷管开口，作用在推力室内外壁的压力不平衡，产生向前的一部分推力，加上喷气流所产生的反作用力，发动机推力的合力为 e e e A p p mu F )(0-+= （3.1） 式中，F 为发动机推力（N ）；m 为喷气的质量流率，即单位时间的质量流量(kg/s);e u 为喷管出口的喷气速度（m/s ）； p e 为推力室内燃气的压力（Pa ）；p 0为外界大气的压力（Pa ）;e A 为喷管出口的截面积（m 2） 从公式（3.1）可知，火箭发动机的推力由两部分组成。第一部分是由动量定理导出的mu e 项，它是推力的主要部分，占总推力的90%以上。成为动推力。它的大小取决于喷气的质量流率和喷气速度，前者实际上等于单位时间推进剂的消耗量。为了获得更高的喷气速度，要求采用高能的推进剂，并使推进剂的化学能尽可能多地转换为燃气的动能。 第二部分是由于喷管出口处燃气压力和大气压力不同所产生的A(p 0p e -)项，与喷管出口面积及外界大气的压力有关，称为静推力。显然，静推力随外界大气压力的减小而增大。这是3.2.1节讲过的 火箭发动机的主要特点之一。为方便起见，定义p e =e p o 时发动机的工作状态为设计状态。在设计状态下静推力等于零，总推力等于动推力，称之为特征推力或额定推力。用F e 表示，则: F e =mu e (3.2) 一般情况下，发动机的额定推力是不变的。发动机在接近真空的条件下工作时，
提到涡桨与涡轴发动机，不得不先提到“燃气轮机”。燃气轮机，是“燃气涡轮轮机”的同义词。 某重型燃气轮机压气机 凡是有“涡”字的，就是“涡轮盘”（英文，turbine）的简称。一大半就是燃气的。哦还有另一样半啊？那就是“蒸汽轮机”(“蒸汽涡轮机”)。 “蒸汽轮机”和“燃气轮机”原理相同的地方就是都是高温气体推动涡轮盘运转，把热能转化为机械能。 “蒸汽轮机”的蒸汽，就是锅炉烧水产生的，由于要用蒸汽锅炉烧水重量大，所以只能用在火车，船舶，发电厂，在此就不多说了。 言归正传，回到“燃气轮机”，就是直接烧氧气和燃油的混合气体，用在飞机，船舶，发电厂，车辆。
使用蒸汽轮机的火车头 还有依据中国的相关行业习惯，“轮机”这个词，用在船舶和发电设备的那种巨型的“涡轮盘”（英文，turbine）。 而用在飞机上的“燃气轮机”，一般叫“燃气涡轮”(gas turbine)，包括:涡喷（turbojet），涡扇（turbofan），涡桨(turboprop)，涡轴（turboshaft）,桨扇发动机（Propfan），也自然是“燃气涡轮”的成员。 不多见的桨扇发动机
涡喷和涡扇发动机工作原理类似，主要区别是涡扇发动机是在涡喷发动机的压气机前再增加低压压气机，又称风扇，风扇由低压涡轮提供动力。 涡扇发动机工作原理图 下面我们主要谈涡桨和涡轴发动机。 航空涡轴发动机是一种以空气为作功工质的燃气涡轮发动机。它主要是靠输出功率带动负载工作的燃气涡轮发动机，能将动力涡轮有效功率的绝大部分(95%以上)通过输出轴带动负载。涡桨发动机是用燃气涡轮带动螺旋桨的燃气涡轮发动机。涡轴发动机有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气装置等五大机件。
序号编号类别变量名参数单位流量温度压力其它1S01通项SPEED发动机转速rpm√2S02TORQUE发动机扭矩N.m√3S03BMEP平均有效压力bar√4S04P发动机功率kW√5S05T_AIR环境气体温度℃T 6S06P_AIR环境气体压力kPa P 7S07PHI环境湿度g/kg√8S08REDFAC修正系数-√9S09T_EC修正扭矩N.m√10S10P_EC修正功率kW√11G01气体T_CLR_I空滤器入口空气温度℃T 12G02T_CLR_O空滤器出口空气温度℃T 13G03T_COMP_I压气机进口气体温度℃T 14G04T_COMP_O压气机出口气体温度℃T 15G05T_ARC_I中冷器入口气体温度℃T 16G06T_ARC_O中冷器出口气体温度℃T 17G07T_ETC_I节气门前气体温度℃T 18G08T_ETC_O节气门后气体温度℃T 19G09T_INTAKE稳压腔中部气体温度℃T 20G10T_IM1进气道气体温度(1缸)℃T 21G11T_IM2进气道气体温度(2缸)℃T 22G12T_IM3进气道气体温度(3缸)℃T 23G13T_EM1排气道气体温度(1缸)℃T 24G14T_EM2排气道气体温度(2缸)℃T 25G15T_EM3排气道气体温度(3缸)℃T 26G16T_EM排气歧管总温度℃T 27G17T_Turbo_I涡轮机前排气温度℃T 28G18T_Turbo_O涡轮机后排气温度℃T 29G19T_EXH排气总管温度℃T 30G20T_CAT_I催化器前排气温度℃T 31G21T_CAT_M催化器中温度℃T 32G22T_CAT_O催化器后温度℃T 33G23T_MUF_I消声器前温度℃T 34G24T_MUF_O消声器后温度℃T 35G25P_CLR_I空滤器进口空气压力kPa P 36G26P_CLR_O空滤器出口空气压力kPa P 37G27P_COMP_I压气机进口气体压力kPa P 38G28P_COMP_O压气机出口气体压力kPa P 39G29P_ARC_I中冷器入口气体压力kPa P 40G30P_ARC_O中冷器出口气体压力kPa P 41G31P_ETC_I节气门前气体压力kPa P 42G32P_ETC_O节气门后气体压力kPa P 43G33P_INTAKE稳压腔中部气体压力kPa P 44G34P_IM1进气道气体压力(1缸)kPa P 45G35P_IM2进气道气体压力(2缸)kPa P 46G36P_IM3进气道气体压力(3缸)kPa P 47G37P_EM1排气道气体压力(1缸)kPa P 48G38P_EM2排气道气体压力(2缸)kPa P 49G39P_EM3排气道气体压力(3缸)kPa P 50G40P_EM排气歧管总压力kPa P 51G41P_Turbo_I涡轮机前排气压力kPa P
发动机特性 §6-1 发动机工况和性能指标分析式 一 发动机工况 在绪论中我们已经介绍过工况的概念。有效功率Ne 和转速n 决定了发动机的工作运行情况。 工况 — Ne ，转速n 。 发动机的工况分为点工况、线工况和面工况。 二 发动机性能指标分析式 1 p k e v i m =1ηαηη 2 M k e v i m =2ηαηη 3 N k n e v i m =3ηαηη 4 g k e i m =4 1 ηη 5 G k n T v =5ηα §6-2 发动机速度特性 发动机节气门开度 （ 或油门开度 ） 不变，发动机性能指标随转速n 变化的关系。 如：汽车爬坡或阻力变化时, 节气门 （ 或油门 ） 开度不变, n 随外界负荷的变化而变化。外界负荷大, n ↓, 外界负荷小, n ↑, 这时发动机沿速度特性工作。 一 汽油机的速度特性 （一） 定义 汽油机节气门开度固定不变，汽油机性能指标随转速n 变化的关系。 外特性 （全负荷的速度特性） — 节气门全开 （ 100% ）, 测得的速度特性。 部分速度特性 — 节气门固定在部分开启位置, 测得的速度特性。 （二） 外特性曲线 1 Me 曲线
M k e v i m =2ηα ηη n ↑ → ?g ↑ → α↓ （ 不多 ） M k e v i m =2' ηηη （1） ηv — n ↑ → 气流惯性↑ → ηv ↑；n ↑↑ → 节流损失↑ → ηv ↓。 （2） ηi — n ↑ → 气流运动↑ → 混合气形成改善 → ηi ↑； n ↑↑ → 燃烧时间↓，燃烧恶化 → ηi ↓。 （3） ηm — n ↑ → ηm ↓。 （4） Me — 低速时: ηv ↑ n ↑ → ηi ↑ 使Me 变化不大, 略有↑； ηm ↓ 高速时: → ηv ↓ n ↑ → ηi ↓ 使Me ↓↓。 ηm ↓ 2 Ne 曲线 低速时: n ↑ → Me ↑ （ 不大 ）, 但 Ne ∝ Me ↑ ? n ↑ → Ne ↑↑； 高速时: n ↑ → Me ↓ → Ne ↑ （ 不大 ）。 3 g e 曲线 g k e i m =4 1 ηη 低速时: n ↑ → ηi ↑，ηm ↓，ηi ↑大于ηm ↓ → g e ↓ （ 不大 ）； 高速时: n ↑ → ηi ↓，ηm ↓ → g e ↑↑。 有一个g e ,min 对应的n, 整个曲线变化不大。 4 G T 曲线 G k n T v =5ηα 低速时: n ↑ → ηv ↑，n ↓ → G T ↑ （ 不大 ）；