航空燃气涡轮发动机构造 第12章 螺旋桨

科普航空涡轮发动机涡扇，英文Turbofan，是指有管道的高速风扇，由燃气涡轮驱动。

和所有燃气涡轮机一样，动力都是来自由空气压气机压缩，再与油料一起燃烧后的高能气体，用涡轮把高温高压的气体中部份的动能化为机械能，再用这机械能驱动前端的压气机继续吸入空气,燃气涡轮机的操作过程基本就是这样循环着。

同时涡轮也驱动着高速风扇带来更多的推动力。

现代涡扇，通常风扇都在发动机的最前端。

民航机或任何亚音速的飞机通常只有一级风扇。

风扇后接着是低压气机，然后是高压气机。

无论是高压还是低压，压气机的级数因个别设计而异。

低压从小型涡轮的一级到大型民航机的九级不等。

高压从小型的一级离心式到大型的17级不等的轴向式。

新式的涡扇多是三轴的，一轴从另一轴间穿过。

由不同级的涡轮以不同的速度驱动。

现代涡扇发动机的压比大的可达40以上（GE90系列，Trent 900，1000）。

压比越大效率越高越省油。

也有涡扇把风扇安装在后面。

比如GE的CF700，虽然简化了发动机的构造，但是结果令人失望。

第一，涡扇基本是一级低压缩比的压气机。

早期的涡扇静压比在1.2左右，现代的大涵道涡扇可到1.8左右。

涡扇后面要有足够长度的扩散器让空气有效的把静压转换为动能。

而后置式涡扇如果要做到这一点必须增加不必要的长度，影响飞机的升力。

其次是后置式涡扇因为前端压气机造成的付面層而让涡扇入口处的空气状态不理想，需要加大风扇的口径才能达到所要求的推动力。

而大口径的风扇如果不增加推动力，飞行的阻力依旧的增加。

所以推力/阻力比不好。

最后，前置式风扇的好处在于增加空气进入压气机前的压力，并且把速度减低，让进入压气机前空气先被处理过，缩小压气机的正面口径从而不增加发动机总体积的情况下增加涵道比。

因为涡扇、低压机和高压机由不同的轴及涡轮以不同的速度驱动，总体操作范围可以受到控制，增加安全性。

现代民航用涡扇的涵道比可达8左右，而战斗机涡扇却只有在0.3-0.7之间。

战斗机因为要兼顾亚音速的机动性和超音速的稳定性而不能有大涵道的经济。

详解航空涡轮发动机(一)【字体大小：大中小】引言古往今来，人类飞上天空的梦想从来没有中断过。

古人羡慕自由飞翔的鸟儿，今天的我们却可以借助飞机来实现这一理想。

鸟儿能在天空翻飞翱翔，靠的是有力的翅膀；而飞机能够呼啸驰骋云端，靠的是强劲的心脏——航空涡轮发动机。

航空涡轮发动机，也叫喷气发动机，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机等几大类，是由压气机、燃烧室和涡轮三个核心部件以及进气装置、涵道、加力燃烧室、喷管、风扇、螺旋桨和其它一些发动机附属设备比如燃油调节器、起动装置等组成的。

其中，压气机、燃烧室和涡轮这三大核心部件构成了我们所说的"核心机"。

每个部件的研制都要克服巨大的技术困难，因而航空涡轮发动机是名副其实的高科技产品，是人类智慧最伟大的结晶，其研制水平是一个国家综合国力的集中体现。

目前世界上只有美、俄、法、英等少数几个国家能独立制造拥有全部自主知识产权的航空涡轮发动机。

2002年5月，中国自行研制的第一台具有完全自主知识产权、技术先进、性能可靠的航空涡轮发动机——"昆仑"涡喷发动机正式通过国家设计定型审查，它标志着我国一跃成为世界第五大航空发动机设计生产国。

"昆仑"及其发展型完全可以满足今后若干年内我军对中等偏大推力涡喷发动机的装机要求，将来在其基础上发展起来的小涵道比涡扇发动机还可以满足我国未来主力战机的动力要求，是我国航空涡轮发动机发展史上的里程碑。

要了解航空涡轮发动机，首先要从它的最关键部分--核心机开始。

核心机包括压气机、燃烧室和涡轮三个部件，它们都有受热部件，工作条件极端恶劣，载荷大，温度高，容易损坏，因此航空涡轮发动机的设计重点和瓶颈就在于核心机的设计。

详解航空涡轮发动机(二)【字体大小：大中小】压气机压气机的作用是将来自涡轮的能量传递给外界空气，提高其压力后送到燃烧室参与燃烧。

因为外界空气的单位体积含氧量太低，远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的含氧量。

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。

图1 涡扇发动机剖视图1、前言涡扇发动机是现代先进战斗机的心脏，它是高科技的结晶，是工业和材料科学高度发达的产物，多少国家因为它而被挡在航空大国之外。

也许有人会想，这样一个高科技的结晶，我们普通人想必很难理解它是如何工作的吧？其实并不是这样，它的工作原理还是很容易理解的。

作为军迷，对它有所了解就能自己判断一些消息的真伪，识破一些显而易见的谎言。

本文就对涡扇发动机进行简要科普，只要学过初高中物理的同学都看得懂，想得通。

上图是涡扇发动机的剖视图，将其更进一步简化，就得到下面的平面示意图（虽然图2是大涵道比的发动机，但基本结构一样，用于解说无妨）。

以下解说请对照这两张图来阅读。

图2 涡扇发动机纵向刨面投影图2、基本结构和工作原理涡扇发动机的主体结构可以看做由一粗一细的两根管子套在一起形成的。

较细的那根管子从前到后依次包裹着低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、中/低压涡轮，最后连接到尾喷管（战机发动机在尾喷管前还常有加力燃烧室）。

由于各级压气机叶轮的直径逐渐缩小，较细的这根管子不是直桶形，而是类似于细腰花瓶一样的形状（图1）。

这根较细的管子所包裹的内部空间就叫做内涵道。

而套在内涵道外部的较粗的管子从前到后依次包裹着风扇（民航客机发动机上可见的旋转叶轮）和部分或整个内涵道。

涡扇发动机是这样工作的：旋转的风扇从发动机前方吸入空气，其中一部分空气进入内涵道，另一部分进入外涵道。

进入内涵道的空气再经过一系列串联的叶轮，即压气机（为简化起见，压气机的结构和原理以后叙述，这里姑且把压气机看成一系列直径较小的风扇），每经过一级压气机空气就被压缩，密度增大、温度上升。

经过低压和高压压气机压缩的空气继续向前来到燃烧室，在燃烧室中与喷入的燃油混合燃烧。

燃烧的高温使空气膨胀冲击燃烧室后方的涡轮。

涡轮就像风车一样，所不同的是风车是靠流动的空气驱动，而涡轮是靠燃烧室排放的高温高压燃气驱动。

燃气驱动涡轮做功，由于涡轮跟风扇、低压和高压压气机连在同一根轴上，因此涡轮带动前方的风扇、高压和低压压气机转动，继续为燃烧室提供空气。

航空发动机原理－－螺桨风扇发动机螺桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来，目前正处于研究和实验阶段。

螺桨风扇发动机的结构见图，它由燃气发生器和一副螺桨-风扇（因为实在无法给这个又象螺旋桨又象风扇的东东起个名字，只好叫它螺桨-风扇）组成。

螺桨-风扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6～8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。

根据涡轮风扇发动机的原理，在飞行速度不变的情况下，涵道比越高，推进效率就越高，因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大，已经接近了结构所能承受的极限；而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高，但由于螺旋桨的速度限制无法应用于M0.8~M0.95的现代高亚音速大型宽体客机，螺桨风扇发动机的概念则应运而生。

由于无涵道外壳，螺桨风扇发动机的涵道比可以很大，以正在研究中的一种发动机为例，在飞行速度为M0.8时，带动的空气量约为内涵空气流量的100倍，相当于涵道比为100，这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的，将其应用于飞机上，可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左右。

同涡轮螺旋桨发动机相比，螺桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。

普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近音速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在M0.6~M0.65左右；而螺桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超音速机翼的剖面形状，这种叶型的跨音速性能就要好的多，在飞行速度为M0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。

当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。

螺旋桨飞机的发动机构造
首先是发动机本体，螺旋桨飞机通常采用活塞发动机或者涡轮
螺旋桨发动机。

活塞发动机是最常见的类型，它包括气缸、活塞、
曲轴、连杆等部件，通过往复运动将燃油和空气混合后压缩、点火、燃烧，产生推力。

涡轮螺旋桨发动机则包括压气机、燃烧室、涡轮、喷气管等部件，通过压缩空气、燃烧燃料产生高速气流驱动涡轮，
从而产生推力。

其次是燃油系统，包括燃油泵、燃油滤清器、燃油喷嘴等部件，用于将燃油输送到发动机内部，并在燃烧过程中实现燃油的混合和
点火。

点火系统是发动机的重要部分，包括点火线圈、火花塞等组件，用于在适当的时机点火，引燃混合气体，从而推动活塞运动或者点
燃燃料。

冷却系统通常由散热器、冷却液循环系统等组成，用于保持发
动机的工作温度在合适的范围内，防止过热损坏发动机。

最后是排气系统，包括排气管、涡轮增压器等部件，用于排出
燃烧后产生的废气，同时涡轮增压器可以提高发动机的功率输出。

总的来说，螺旋桨飞机的发动机构造是一个复杂的系统，各个部件相互配合，共同实现燃料燃烧、推力产生和废气排放等功能。

这些部件的精密设计和可靠性能对于飞机的飞行安全和性能至关重要。

《民航概论》课程作业民用航空涡轮喷气发动机各部件简介及其工作原理姓名：***学院(系)：民航（飞行）学院专业：*************班级：0710103学号：******************二О一二年十二月二十四日民用航空涡轮喷气发动机各部件简介及其工作原理民用航空自开始以来，随着时代的变迁和人们生活水平的提升，正处于高速发展状态。

各经济发展较迅速的国家均争相发展自己的航空航天产业，民用航空则是一个关系民生的重要组成部分。

我国自1920年开通第一条航线以来，民航正处于跨越式发展阶段，无论是投入还是硬件设施，足以与发达国家相聘美。

然而发动机作为飞机的心脏，一直是遏制民航发展的一个瓶颈。

作为南京航空航天大学民航学院的一名学生，在学习了民航概论，飞行原理等课程后，通过参考各种文献和书籍，我在这仅其中的很小一部分，即航空涡轮喷气发动机发表自己的一些浅薄认知。

民用航空发动机作为飞机的核心，关系着整架飞机的运行及安全。

喷气涡轮发动机共由五部分组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。

每一个部分各自发挥着作用，又相互影响，相互制约。

1.进气道在民用航空中发动机一般是一个独立的整体，进气道也几乎与机身有一定间隔，并非作为一体化设计，当然也有将发动机与机身进行一体化设计的，一般在军用飞机中较为常见。

进气道作为发动机的起始部分，有着非常重要的作用，对整台发动机的工作有着重要的影响，甚至可以说，如果进气道出问题，整台发动机都不能工作甚至毁坏。

进气道的作用大致为：在各种状态下，将足量的空气以最小的流动损失，顺利地引入压气机；当压气机进口处的气流马赫数小于飞行马赫数时，通过冲压压缩空气，提高空气的压力；在所有飞行条件和发动机工作状态下，进气道的增压过程避免过大的空间和时间上的气流不均匀性，以减少风扇或压气机喘振和叶片振动的危险；进气道的外阻力应尽可能小。

进气道有两种，分别是亚音速进气道和超音速进气道。

在民用航空中，安全始终是放在首要地位，因此绝大部分民用客机是工作在亚音速阶段。