1、燃气涡轮发动机概论燃气涡轮发动机概论燃气涡轮发动机的产生燃气涡轮发动机的产生v从从20世纪世纪30年代中期开始，到二战结束，在年代中期开始，到二战结束，在近近10年的活塞发动机发展的年的活塞发动机发展的“黄金年代黄金年代”中中，相继出现了一批著名的发动机和飞机，并，相继出现了一批著名的发动机和飞机，并在二战中大显身手。到在二战中大显身手。到40年代末，活塞发动年代末，活塞发动机达到了发展的顶峰，单台发动机功率从机达到了发展的顶峰，单台发动机功率从12马力增加到马力增加到3800马力，功重比从马力，功重比从0.15hp/kg发展到发展到2.5hp/kg，巡航耗油率从，巡航耗油率从0.340.35
2、kg/hph，降低到，降低到0.190.2kg/hph.燃气涡轮发动机的产生燃气涡轮发动机的产生v年产量达到数十万台，装备了上百万架飞机年产量达到数十万台，装备了上百万架飞机。单从生产数量上看，没有一种航空发动机。单从生产数量上看，没有一种航空发动机比得上活塞发动机的生产数量。比得上活塞发动机的生产数量。燃气涡轮发动机的产生燃气涡轮发动机的产生v由于发动机的功率与飞机飞行速度的三次方由于发动机的功率与飞机飞行速度的三次方成正比，随着飞行速度的进一步提高，发动成正比，随着飞行速度的进一步提高，发动机功率进一步增大，活塞发动机的重量也迅机功率进一步增大，活塞发动机的重量也迅速增大，已经不能满足高速
3、飞行的要求；另速增大，已经不能满足高速飞行的要求；另一方面，螺旋桨的效率在飞行速度大于一方面，螺旋桨的效率在飞行速度大于700km/h后会急剧下降，这两方面均限制了后会急剧下降，这两方面均限制了飞行速度的提高。飞行速度的提高。燃气涡轮发动机的产生燃气涡轮发动机的产生v因此，采用活塞式航空发动机因此，采用活塞式航空发动机螺旋桨组合螺旋桨组合的飞机，其飞行速度不可能接近声速，当然的飞机，其飞行速度不可能接近声速，当然更不可能达到声速或超过声速。为了提高飞更不可能达到声速或超过声速。为了提高飞行速度，就要放弃活塞式发动机，而研制功行速度，就要放弃活塞式发动机，而研制功率更大、重量更轻的新型航空发动机
4、。率更大、重量更轻的新型航空发动机。空气喷气式发动机空气喷气式发动机v空气喷气式发动机中，经过压缩的空气与燃空气喷气式发动机中，经过压缩的空气与燃料（通常是航空煤油）的混合物燃烧后产生料（通常是航空煤油）的混合物燃烧后产生高温、高压燃气，在发动机的尾喷管中膨胀高温、高压燃气，在发动机的尾喷管中膨胀，以高速喷出，以高速喷出 ，从而产生反作用推力。流进，从而产生反作用推力。流进发动机的空气可以是由专门的压气机使其受发动机的空气可以是由专门的压气机使其受到压缩，也可以利用将高速流进发动机的空到压缩，也可以利用将高速流进发动机的空气（当飞行器以很高的速度飞行时）滞止下气（当飞行器以很高的速度飞行时）滞
5、止下来而产生高压来达到。因此，空气喷气式发来而产生高压来达到。因此，空气喷气式发动机分为有压气机和无压气机两类。动机分为有压气机和无压气机两类。v（1）无压气机的空气喷气发动机）无压气机的空气喷气发动机分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两类。类。冲压式喷气发动机由进气道、冲压式喷气发动机由进气道、燃烧室和尾喷管组成，它利燃烧室和尾喷管组成，它利用飞行器高速飞行时，迎面用飞行器高速飞行时，迎面气流进入发动机后减速增压气流进入发动机后减速增压并达到一定数值，直接进入并达到一定数值，直接进入燃烧室喷油燃烧，从燃烧室燃烧室喷油燃烧，从燃烧室出来的高温高压燃气
6、直接进出来的高温高压燃气直接进入尾喷管膨胀加速，向后喷入尾喷管膨胀加速，向后喷出，产生反作用推力。出，产生反作用推力。v（1）无压气机的空气喷气发动机）无压气机的空气喷气发动机分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两类。类。由于没有压气机，因而也不由于没有压气机，因而也不需要涡轮，所以这种发动机需要涡轮，所以这种发动机的热效率高、结构简单、重的热效率高、结构简单、重量轻、成本低。但其缺点是量轻、成本低。但其缺点是不能在静止状态或低速下起不能在静止状态或低速下起动，需要用其他助推器使航动，需要用其他助推器使航空器达到一定速度后才能起空器达到一定速度后才能起
7、动并开始有效工作。动并开始有效工作。v（1）无压气机的空气喷气发动机）无压气机的空气喷气发动机分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两类。类。脉动式喷气发动机是空气和燃脉动式喷气发动机是空气和燃料间歇的供入燃烧室的无压气料间歇的供入燃烧室的无压气机喷气发动机。当一股空气顶机喷气发动机。当一股空气顶开进气活门进入燃烧室后，进开进气活门进入燃烧室后，进气活门在弹簧作用下关闭，此气活门在弹簧作用下关闭，此时喷进燃油并点火燃烧，燃烧时喷进燃油并点火燃烧，燃烧后的高温燃气由尾喷管高速喷后的高温燃气由尾喷管高速喷出，产生推力，并吸开进气活出，产生推力，并吸开进气活门
8、，空气又进入发动机燃烧室，门，空气又进入发动机燃烧室，重复上述过程，因此燃烧与喷重复上述过程，因此燃烧与喷气是断续的。气是断续的。v（1）无压气机的空气喷气发动机）无压气机的空气喷气发动机分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两分为冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机两类。类。这种发动机的优点是可以自身这种发动机的优点是可以自身起动，结构简单、重量轻，成起动，结构简单、重量轻，成本低，但它只适用于低速飞行，本低，但它只适用于低速飞行，飞行高度有限，单向活门寿命飞行高度有限，单向活门寿命短、振动大、耗油率高，只在短、振动大、耗油率高，只在第二次世界大战中被纳粹德国第二次世界大战中被纳粹德国用于用于
9、V-1导弹的动力上，目前导弹的动力上，目前除用于航空模型飞机和某些低除用于航空模型飞机和某些低速靶机外，尚无其他飞行器使速靶机外，尚无其他飞行器使用。用。v（2）有压气机的空气喷气发动机）有压气机的空气喷气发动机在有压气机的空气喷气发动机中，压气机用燃在有压气机的空气喷气发动机中，压气机用燃烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机又称为航空燃气涡轮发动机。又称为航空燃气涡轮发动机。燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样灯相同。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样
10、，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转。轮旋转。燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。下图是一台燃气轮机原理模化学能转变成机械能。下图是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外型剖面，
11、通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。口（燃气出口）。燃气轮机主要由燃气轮机主要由压气机压气机、燃烧室燃烧室、涡轮涡轮三大部分组成三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把
12、燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮，是空，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮，是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。压气机压气机、燃烧燃烧室室、涡轮涡轮又被称为发动机的核心机核心机。燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气
13、口排出，其流向见红色箭功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。头线。在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子。轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子。v（2）有压气机的空气喷气发动机）有压气机的空气喷气发动机在有压气机的空气喷气发动机中，压气机用燃在有压气机的空气喷气发动机中，压气机用燃烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机又称为航空燃气涡轮发动机。又称为航空燃气涡轮发动机。其中，由驱动压气机的燃气涡轮出来的喷气在其中，由驱动压气机的燃气涡轮出来的喷
14、气在尾喷管中膨胀以高速喷出直接产生推力的发尾喷管中膨胀以高速喷出直接产生推力的发动机，称为涡轮喷气发动机，最适合高空高动机，称为涡轮喷气发动机，最适合高空高速飞行。速飞行。v由驱动压气机的燃气涡轮出来的燃气，先在由驱动压气机的燃气涡轮出来的燃气，先在另一个涡轮（低压涡轮）中膨胀，以驱动一另一个涡轮（低压涡轮）中膨胀，以驱动一个装在压气机前面的、比压气机直径更大的个装在压气机前面的、比压气机直径更大的风扇，最后再在尾喷管中膨胀并以一定的速风扇，最后再在尾喷管中膨胀并以一定的速度喷出，这种发动机称为涡轮风扇发动机，度喷出，这种发动机称为涡轮风扇发动机，适合高亚音速飞行。适合高亚音速飞行。v在涡轮风
15、扇发动机中，风扇出来的空气，一在涡轮风扇发动机中，风扇出来的空气，一部分流进压气机，经过燃烧室、涡轮由尾喷部分流进压气机，经过燃烧室、涡轮由尾喷管喷出，这股气流称为内涵气流，其流通部管喷出，这股气流称为内涵气流，其流通部分称为内涵道。分称为内涵道。v由围绕内涵道的外部环形通道（外涵道）流由围绕内涵道的外部环形通道（外涵道）流过，称外涵气流。由于有内外两个涵道，涡过，称外涵气流。由于有内外两个涵道，涡轮风扇发动机有时又称内外涵发动机。内外轮风扇发动机有时又称内外涵发动机。内外涵气流可分别排出，也可以在排气系统内混涵气流可分别排出，也可以在排气系统内混合排出。合排出。v流过外涵道与流过内涵道的空气
16、流量之比称流过外涵道与流过内涵道的空气流量之比称为为涵道比涵道比，涵道比低于，涵道比低于23的发动机称为小的发动机称为小涵道比涡轮风扇发动机，涵道比大于涵道比涡轮风扇发动机，涵道比大于45的的称高涵道比涡轮风扇发动机，适宜作高亚音称高涵道比涡轮风扇发动机，适宜作高亚音速大中型民航客机、运输机动力装置。速大中型民航客机、运输机动力装置。大涵道比涡轮风扇发动机示意图大涵道比涡轮风扇发动机示意图v在涡轮风扇发动机中，推力是由内、外涵量在涡轮风扇发动机中，推力是由内、外涵量部分的气流产生的。小涵道比涡轮风扇发动部分的气流产生的。小涵道比涡轮风扇发动机中，外涵道产生的推力占总推力的比例较机中，外涵道产生
17、的推力占总推力的比例较低，在高涵道比涡轮风扇发动机中，推力主低，在高涵道比涡轮风扇发动机中，推力主要由外涵道产生。例如，涵道比为要由外涵道产生。例如，涵道比为5的涡轮风的涡轮风扇发动机中，外涵道产生的推力占总推力的扇发动机中，外涵道产生的推力占总推力的80%左右。左右。v在航空燃气涡轮发动机中，由驱动压气机的在航空燃气涡轮发动机中，由驱动压气机的涡轮出来的燃气，先流经一个驱动减速器的涡轮出来的燃气，先流经一个驱动减速器的涡轮，在进入尾喷管中喷出，减速器的输出涡轮，在进入尾喷管中喷出，减速器的输出轴上安装螺旋桨，这种发动机称为涡轮螺旋轴上安装螺旋桨，这种发动机称为涡轮螺旋桨发动机。桨发动机。v在
18、航空燃气涡轮发动机中，由驱动压气机的在航空燃气涡轮发动机中，由驱动压气机的涡轮出来的燃气，先流经一个驱动减速器的涡轮出来的燃气，先流经一个驱动减速器的涡轮，在进入尾喷管中喷出，减速器的输出涡轮，在进入尾喷管中喷出，减速器的输出轴以较高的转速（轴以较高的转速（8000RPM）与传动直升机）与传动直升机旋翼的主减速器相连，称为涡轮轴发动机。旋翼的主减速器相连，称为涡轮轴发动机。涡轮喷气发动机按其压气机的类型不同，可分涡轮喷气发动机按其压气机的类型不同，可分为离心式涡轮喷气发动机和轴流式涡轮喷气为离心式涡轮喷气发动机和轴流式涡轮喷气发动机。按发动机转子结构不同，分为单转发动机。按发动机转子结构不同，
19、分为单转子和双转子涡轮喷气发动机。子和双转子涡轮喷气发动机。离心式压气机结构简单，离心式压气机结构简单，制造方便，坚固耐用，工制造方便，坚固耐用，工作稳定性较好。早期的涡作稳定性较好。早期的涡轮喷气式发动机大多为离轮喷气式发动机大多为离心式。但离心式压气机单心式。但离心式压气机单位迎风面积大、效率、增位迎风面积大、效率、增压比和流通能力不如轴流压比和流通能力不如轴流式，推力受到限制。式，推力受到限制。轴流式涡轮喷气发动机轴流式涡轮喷气发动机 采用轴流式压气机。具有效率高、增压比大采用轴流式压气机。具有效率高、增压比大和流通能力强等优点。和流通能力强等优点。 轴流式涡轮喷气发动机又有单转子和双转
20、子轴流式涡轮喷气发动机又有单转子和双转子之分。之分。（1）单转子涡轮喷气发动机）单转子涡轮喷气发动机压气机和涡轮共用一根轴的涡轮喷气发动机。压气机和涡轮共用一根轴的涡轮喷气发动机。优点是结构简单，造价低廉，缺点是稳定工优点是结构简单，造价低廉，缺点是稳定工作范围窄。作范围窄。（2）双转子涡轮喷气发动机）双转子涡轮喷气发动机有两个只有气动联系、且具有同心轴转子的涡有两个只有气动联系、且具有同心轴转子的涡轮喷气发动机。把一台高增压比的压气机分轮喷气发动机。把一台高增压比的压气机分为两个低增压比的压气机，即低压压气机、为两个低增压比的压气机，即低压压气机、高压压气机，分别由各自的涡轮所带动，以高压压
21、气机，分别由各自的涡轮所带动，以各自的最佳转速工作，形成两个只有气动联各自的最佳转速工作，形成两个只有气动联系的高、低压转子。系的高、低压转子。低压压气机及低压涡轮的转子连接形成低压转低压压气机及低压涡轮的转子连接形成低压转子，高压压气机及高压涡轮连接形成高压转子，高压压气机及高压涡轮连接形成高压转子，低压转子的传动轴从高压转子中穿过，子，低压转子的传动轴从高压转子中穿过，两个转子分别以各自的最佳转速工作。这种两个转子分别以各自的最佳转速工作。这种发动机具有总增压比高、效率高、稳定工作发动机具有总增压比高、效率高、稳定工作范围宽、起动功率小、加速性好等特点。范围宽、起动功率小、加速性好等特点。
22、喷气发动机的推力喷气发动机的推力喷气发动机的推力是指流过发动机的气体作用喷气发动机的推力是指流过发动机的气体作用在发动机内部机件和发动机内外壁面的力在在发动机内部机件和发动机内外壁面的力在轴线方向的总和。推力的大小表示为：轴线方向的总和。推力的大小表示为：R-发动机推力；发动机推力； 为流过发动机的气体质量流为流过发动机的气体质量流量；量； 为发动机出口截面出的气体流速；为发动机出口截面出的气体流速；V为为飞行速度；飞行速度； 为发动机出口截面积；为发动机出口截面积； 为发动为发动机出口截面出的气体压力；机出口截面出的气体压力； 为未收扰动处的为未收扰动处的外界大气压力。外界大气压力。5550=m(CV)+A ()RPPm 5C5A5P0P喷气发动机的推力喷气发动机的推力对民用发动机而言，绝大多数情况下气体在发对民用发动机而言，绝大多数情况下气体在发动机内完全膨胀，所以出口截面处的压力等动机内完全膨胀，所以出口截面处的压力等于外界压力，推力公式可以简略为：于外界压力，推力公式可以简略为：所以影响到发动机推力的只有流量和速度增量所以影响到发动机推力的只有流量和速度增量5=m(CV)R
