航空发动机设计方案.docx

1、舰载机航空发动机设计方案一本型航空发动机的应用领域舰载机是以航空母舰或其他军舰为基地的海军飞机。用于攻击空中、水面、水下和地面目标，并遂行预警、侦察、巡逻、护航、布雷、扫雷和垂直登陆等任务。它是海军航空兵的主要作战手段之一，是在海洋战场上夺取和保持制空权、制海权的重要力量。舰 载 机能 适 应 海 洋 环 境 。 普 通 舰 载 机 一 般 在 6 级 风 、 4 5 级 浪 的 海 况 下 ， 仍 能 在 航 空 母 舰 上起 落 。 舰 载 机 能 远 在 舰 炮 和 战 术 导 弹 射 程 以 外 进 行 活 动 ； 借 助 母 舰 的 续 航 力 ， 可 远 离本 国 领 土 ， 进

2、入 各 海 洋 活 动 。 舰 载 歼 击 机 多 兼 有 攻 击 水 面 、 地 面 目 标 的 能 力 ， 舰 载 强击 机 （ 攻 击 机 ） 多 兼 有 空 战 能 力 ， 以 充 分 发 挥 有 限 数 量 舰 载 机 的 最 大 效 能 。 舰 载 飞 机的 起 落 和 飞 行 条 件 比 陆 上 飞 机 恶 劣 ,因 此 舰 载 飞 机 应 有 良 好 的 起 飞 性 能 、 较 低 的 着 陆 速度 、 良 好 的 低 速 操 纵 性 。 驾 驶 舱 的 视 野 开 阔 ， 在 母 舰 和 飞 机 上 还 装 有 特 殊 的 导 航 设 备 ，便 于 驾 驶 员 对 准 甲 板

3、 跑 道 。 为 了 少 占 甲 板 面 积 和 便 于 在 舰 上 机 库 内 存 放 ， 多 数 舰 载 飞 机的 机 翼 在 停 放 时 可 以 向 上 折 叠 ， 有 的 垂 尾 和 机 头 也 可 以 折 转 。 此 外 ， 海 水 和 潮 湿 的 环 境容 易 使 飞 机 机 体 、 发 动 机 和 机 载 设 备 严 重 腐 蚀 ， 飞 机 要 有 较 好 的 防 腐 蚀 措 施 。二航空发动机的性能设计指标推力：15000daN单位推力：20daNs/kg重量：150kg推重比：10耗油率：0.4kg/(hN)总压比：36涡轮前温度：1800K整机效率：50%设计寿命：2400

4、0h三航空发动机的结构形式3.1 压气机采用传统的小涵道比涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机有内外两个涵道，它的外涵风扇处于飞机进气道内，可以在跨声速或超声速飞行时工作，较之于螺浆发动机具有效率高的优点。涡扇发动机与涡喷发动机相比，它具有较高的推进效率与较大的推力。而且采用涡轮风扇发动机后，为提高热效率而提高涡轮前温度不会给推进效率带来不利影响。而且外涵道的冷空气可以在涡轮部位形成冷空气薄膜，降低涡轮前高温燃气对涡轮的损害。而且外涵道空气与涡轮后燃气相掺混，有利于增加推力并降低噪音。下面对主要部件进行阐述。压 气 机 依 然 选 用 轴 流 式 压 气 机 。 空 气 在 轴 流 式 是 压 气

5、机 中 的 流 动 方 向 大 致 平 行 工 作轮 轴 ， 采 用 此 中 压 气 机 的 优 点 是 其 流 动 使 其 在 结 构 上 容 易 组 织 多 级 压 缩 ， 以 没 一 级 都 较低 的 整 压 压 力 比 获 得 较 高 的 压 气 机 总 增 压 压 力 比 。 每 级 的 增 压 压 力 i1.15-1.35 之 间 ，使 得 空 气 流 经 每 级 叶 片 通 道 时 无 需 急 剧 的 改 变 方 向 ， 减 少 流 动 损 失 ， 因 而 压 气 机 效 率 高 。特 别 在 大 流 量 是 ， 轴 流 式 压 气 机 较 其 他 种 类 的 压 气 机 更 容

6、 易 获 得 较 高 的 压 气 机 效 率 ， 可达 90%左 右 ， 多 级 轴 流 式 压 气 机 还 具 有 大 流 量 ， 高 效 率 ， 小 迎 风 面 的 优 点 。采 用 鼓 盘 式 转 子 ， 兼 顾 鼓 式 转 子 的 抗 弯 刚 性 和 盘 式 转 子 的 承 受 大 离 心 载 荷 的 能 力 ， 具体 为 混 合 式 鼓 盘 转 子 ， 采 用 这 种 形 式 的 转 子 结 构 ， 兼 有 可 拆 卸 转 子 和 不 可 拆 卸 转 子 的优 点 ， 对 制 造 技 术 和 工 艺 要 求 不 太 高 ， 同 时 也 给 设 计 者 提 供 了 广 阔 的 选 择

7、空 间 ， 并 且 方便 检 查 、 维 修 和 更 换 。工 作 叶 片 采 用 了 可 控 扩 散 叶 型 ， 叶 型 厚 度 及 曲 率 按 最 佳 分 布 。 基 本 消 除 了 附 面 层 的分 离 ， 增 加 了 压 气 机 有 效 流 通 面 积 ， 提 高 了 压 气 机 效 率 。 叶 型 的 叶 弦 较 宽 ， 前 后 较 厚 ，具 有 较 好 的 抗 腐 蚀 和 抗 冲 击 性 。 端 部 过 弯 叶 身 是 为 了 减 少 叶 片 两 端 壁 附 面 层 所 造 成 的二 次 损 失 ， 因 而 将 叶 身 尖 端 和 根 部 前 、 后 绕 特 别 的 加 以 弯 曲

8、 。 这 种 新 一 代 高 效 能 叶 片 ，使 压 气 机 的 级 效 率 及 压 气 机 的 特 性 得 到 了 进 一 步 的 提 高 。喘 振 对 轴 流 压 气 机 是 最 危 险 的 状 态 ,使 机 组 发 生 强 烈 的 振 动 , 造 成 推 力 瓦 过 负 荷 , 能 在 很 短 时 间 内 引 起 压 气 机 的 损 坏 。 因 此 , 压 气 机 应 绝 对 避 免 在 喘 振 区 运 行 。 由 于 压气 机 运 行 工 况 的 改 变 ,特 别 是 在 供 风 外 网 阻 力 突 然 增 大 (如 高 炉 悬 料 或 管 道 系 统 阀 门 误关 闭 ), 使 压

9、 气 机 出 口 风 压 突 然 上 升 (风 量 突 然 减 小 ), 压 气 机 将 会 迅 速 逼 近 甚 至 闯 人 喘振 点 而 引 起 喘 振 , 即 使 运 行 操 作 人 员 监 盘 如 何 高 度 集 中 ,处 理 如 何 迅 速 , 往 往 仍 避 免不 了 压 气 机 发 生 喘 振 , 只 是 使 喘 振 现 象 能 得 到 及 时 处 理 。 为 此 , 压 气 机 防 喘 振 保 护 是必 不 可 少 的 , 其 可 靠 性 也 是 头 等 重 要 的 。 为 了 避 免 在 叶 尖 处 产 生 旋 转 失 速 ， 利 用 吹 起和 放 气 来 控 制 附 面 层

10、比 较 有 效 ， 采 用 在 机 匣 内 壁 上 加 工 成 环 捎 、 料 槽 ， 使 失 速 裕 度大 大 改 善 。 同 时 ， 采 用 双 转 子 压 气 机 防 喘 ， 在 相 同 总 增 压 比 及 总 级 数 时 ， 当 压 气 机 转 子分 开 后 每 个 转 子 的 级 数 减 少 ， 同 时 各 转 子 可 以 再 各 自 的 最 佳 转 速 工 作 ， 转 子 的 转 速 实 现自 动 调 节 。防 冰 系 统 。 当 客 机 在 高 空 飞 行 穿 过 有 冷 水 汽 的 云 层 时 ， 或 当 发 动 机 在 空 气 湿 度 较 高和 气 温 接 近 0 摄 氏 度

11、 的 条 件 下 工 作 时 ， 发 动 机 进 口 部 分 ， 如 进 气 道 唇 口 、 整 流 罩 、 整流 支 板 等 ， 就 会 出 现 结 冰 现 象 。 该 冰 层 会 引 起 发 动 机 进 口 界 面 减 小 ， 改 变 发 动 机 进 口 流场 ， 使 发 动 机 的 性 能 变 差 ， 严 重 时 则 可 能 会 引 起 压 气 机 喘 振 。 此 外 ， 由 于 发 动 机 整 动 ，冰 层 可 能 破 裂 ， 冰 块 就 会 被 吸 入 发 动 机 内 ， 打 伤 叶 片 ， 甚 至 损 坏 整 台 发 动 机 。 因 此 、 发动 机 前 部 和 进 气 装 置 采

12、 取 防 冰 措 施 。 为 此 采 用 对 容 易 结 冰 的 部 件 进 行 加 温 ， 一 是 压 气机 的 热 空 气 ， 二 是 采 用 电 加 热 ， 本 发 动 机 采 取 二 者 结 合 的 方 式 ， 有 效 避 免 结 构 结 冰 。封 气 装 置 。 在 压 气 机 转 子 和 静 子 之 间 ， 如 转 子 叶 片 顶 端 与 机 匣 间 ， 整 流 器 内 环 与 转子 鼓 间 ， 转 子 前 后 端 面 与 机 匣 间 都 存 在 着 漏 气 损 失 ， 严 重 影 响 压 气 机 效 率 。 为 此 ， 除了 采 用 良 好 的 间 隙 设 计 外 ， 还 必 须

13、 有 良 好 的 封 气 装 置 。 非 接 触 式 密 封 可 以 再 高 相 对 线 速度 是 ， 减 少 漏 气 面 积 和 减 少 压 力 两 个 方 面 减 少 漏 气 损 失 。3.2 涡 轮采用三级的轴向式对转涡轮。它增大了高压涡轮工作轮出口气流的切线速度，加大了高压涡轮的输出功率。减轻了涡轮的结构质量。而且当飞机做机动飞行时发动机转子的高速旋转会产生巨大的陀螺力矩，由于对转涡轮有相反方向的转子，可以平衡彼此产生的陀螺力矩。该结构形式的涡轮很适合所设计航空发动机。涡轮设计通过下面几个方法提高涡轮的耐热性。第一，强制冷却。在涡轮叶片上设计很多细小的管道，外涵道的高压冷空气通过这些管

14、道流经高温叶片，起到强制冷却作用，这就是“空心气冷叶片”。在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对 流冷却和空气冲击冷却。冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片器和涡轮叶片前缘上的孔隙中流出，被燃气带动在叶片的表面形成冷却气膜。第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片，用耐热性能更好的陶瓷等材料制作涡轮叶片。第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜力。在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为一个单晶体，避免了晶格缺陷。3.3 涡 轮 的 冷 却 技 术 。第 一 ， 强 制 冷 却 ， 在 涡 轮 叶 片 上 设 计 了 许 多 细 小

15、 管 道 ， 高 压 冷 空 气 通 过 这 些 管 道 流经 高 温 叶 片 ， 起 到 强 制 冷 却 作 ， 同 时 对 流 冷 却 在 叶 片 中 不 停 有 冷 却 气 流 在 叶 片 中 流 动以 带 走 叶 片 上 的 热 量 。 第 二 ， 采 用 新 的 耐 热 材 料 制 造 涡 轮 叶 片 。 一 些 先 进 航 空 发 动 机公 司 已 经 开 始 探 索 用 耐 热 性 能 更 好 的 陶 瓷 等 材 料 制 作 涡 轮 叶 片 。 可 是 如 果 没 有 深 厚 的 基础 科 学 作 保 证 ， 高 性 能 的 涡 轮 材 料 研 制 也 就 无 从 谈 起 。 也

16、 正 是 这 个 小 小 的 涡 轮 减 缓 了 一些 国 家 成 为 航 空 大 国 的 步 伐 。 第 三 ， 通 过 改 进 叶 片 的 制 造 工 艺 ， 挖 掘 现 有 叶 片 材 料 的 耐热 潜 力 。 早 在 航 空 涡 轮 发 动 机 诞 生 之 初 ， 人 们 就 在 涡 轮 的 表 面 涂 一 层 耐 烧 蚀 的 表 面 涂 层来 延 长 涡 轮 叶 片 的 使 用 寿 命 。 精 密 铸 造 技 术 也 是 推 动 涡 轮 叶片 技 术 进 步 的 重 要 手 段 。 比 方 说 单 晶 体 叶 片 ， 就 是 通 过 精 铸 工 艺 使 整 个 涡 轮 叶 片 成为

17、一 个 单 晶 体 ， 避 免 了 晶 格 缺 陷 ， 比 之 传 统 工 艺 的 叶 片 ， 其 高 温 强 度 提 高 8 倍 以 上 。加 力 燃 烧 室 避 免 振 荡 燃 烧 所 采 用 的 方 法 。 减 弱 造 成 振 荡 燃 烧 的 激 振 源 ， 如 改 变 加 力 燃烧 室 中 火 焰 稳 定 器 形 状 的 设 计 ， 采 用 沙 丘 式 火 焰 稳 定 器 就 具 有 较 好 的 抗 振 荡 燃 烧 性 能 。设 置 阻 尼 装 置 ， 常 在 加 力 燃 烧 室 简 体 内 壁 增 加 一 层 波 纹 多 孔 防 振 屏 ， 它 对 振 波 产 生 漫散 反 射 ，

18、削 弱 了 反 射 波 的 能 量 。 目 前 许 多 加 力 燃 烧 室 都 采 用 这 种 防 振 方 法 。3.4燃烧室环 形 燃 烧 室 是 由 两 个 与 发 动 机 同 轴 的 套 筒 组 成 ， 原 先 火 焰 筒 的 功 能 则 由 内 套 筒 代 替 完成 。 环 形 燃 烧 室 的 气 流 分 布 类 似 于 环 管 燃 烧 室 。 一 股 气 流 进 入 内 套 筒 参 与 燃 烧 ， 另 一 股气 流 则 进 入 内 外 套 筒 之 间 的 空 腔 ， 然 后 再 分 期 分 批 进 入 内 套 筒 ， 同 样 起 到 补 充 燃 烧 、 控制 燃 烧 区 域 长 度

19、和 燃 烧 室 出 口 温 度 场 的 作 用 。 环 形 燃 烧 室 不 像 环 管 燃 烧 室 那 样 是 由 多 个火 焰 筒 所 组 成 ， 而 是 一 个 整 体 ， 因 此 环 形 燃 烧 室 的 出 口 燃 气 场 的 温 度 要 比 环 管 燃 烧 室的 温 度 均 匀 ， 而 且 环 形 燃 烧 室 所 需 的 喷 油 嘴 也 比 环 管 燃 烧 室 少 一 些 。 另 外 ， 由 于 其 暴露 在 燃 气 中 的 面 积 较 小 ， 在 冷 却 和 隔 热 方 面 ， 环 形 燃 烧 室 也 比 环 管 燃 烧 室 有 优 势 。 与 环管 燃 烧 室 相 比 ， 环 形

20、燃 烧 室 也 有 着 一 些 不 足 ， 但 这 些 不 足 不 是 性 能 上 的 而 是 制 造 工 艺 上 。在 燃 烧 室 的 外 机 匣 和 内 壳 所 形 成 的 腔 道 中 ， 安 装 着 环 形 的 火 焰 筒 。 在 火 焰 筒 的 头 部 装 有一 圈 燃 油 喷 嘴 和 火 焰 稳 定 装 置 。 与 压 气 机 、 涡 轮 的 环 形 通 道 气 动 配 合 好 ， 减 少 流 动损 失 出 口 温 度 场 均 匀 ， 重 量 轻 、 迎 风 面 小 。在 燃 烧 室 内 设 置 火 焰 筒 ， 使 空 气 从 火 焰 筒 壁 上 的 圆 孔 或 气 膜 缝 隙 进

21、入 火 焰 筒 内 ， 在喷 入 燃 油 的 火 焰 筒 头 部 ， 根 据 需 要 设 计 一 定 数 量 的 圆 孔 和 缝 隙 ， 以 保 证 火 焰 筒 头 部 的 燃料 系 数 达 到 =1 左 右 。 喷 入 燃 烧 室 的 燃 油 在 火 焰 筒 头 部 进 行 燃 烧 后 温 度 可 达 到2000K 以 上 ， 燃 烧 后 的 高 温 燃 气 在 火 焰 筒 后 部 与 进 入 的 两 股 冷 却 空 气 相 渗 混 ， 使 燃 气 温度 达 到 所 需 要 的 数 值 。 在 火 焰 筒 头 部 喷 油 嘴 周 围 设 置 空 气 扰 流 器 ， 使 空 气 在 火 焰 筒

22、 头部 内 形 成 旋 涡 ， 旋 涡 中 心 为 低 压 区 ， 使 一 部 分 已 经 燃 烧 的 高 温 燃 气 倒 流 回 来 形 成 回 流 区 ，不 断 点 燃 由 燃 油 雾 滴 蒸 发 形 成 的 新 鲜 混 气 。 燃 油 喷 嘴 的 另 一 种 形 式 叫 蒸 发 管 。 燃 油由 喷 油 管 喷 出 ， 与 来 自 压 气 机 的 一 部 分 空 气 在 蒸 发 管 内 掺 混 ， 并 经 T 型 热 管 壁 加 热 蒸发 。喷 油 嘴 采 用 蒸 发 管 ， 使 用 蒸 发 管 的 燃 烧 室 燃 烧 效 率 较 高 、 不 冒 烟 ， 出 口 温 度 场 也 比较 均

23、 匀 ， 不 随 喷 油 量 的 变 动 而 变 化 。 蒸 发 管 式 供 油 装 置 与 环 形 燃 烧 室 配 合 ， 以 获 得较 为 理 想 的 性 能 。点 火 装 置 利 用 外 电 源 ， 使 高 压 火 花 塞 打 火 ， 将 起 动 喷 油 嘴 喷 出 的 燃 料 和 空 气 或 氧 气 的混 合 气 体 加 热 到 着 火 温 度 ， 使 它 首 先 燃 烧 ， 然 后 再 依 靠 这 个 起 动 喷 嘴 火 焰 点 燃 整 个 燃 烧室 。 燃 烧 室 点 燃 以 后 ， 点 火 装 置 即 停 止 工 作 。燃 料 采 用 航 空 燃 油 和 燃 料 电 池 组 合

24、的 混 合 能 源 技 术 ， 在 巡 航 速 度 较 低 时 ， 使 用 燃 料 电池 提 供 动 力 ， 而 在 加 力 燃 烧 室 启 动 和 超 音 速 巡 航 时 ， 则 由 航 空 燃 油 和 燃 料 电 池 协 同 提 供动 力 ， 有 效 提 高 了 能 源 利 用 率 ， 也 大 大 降 低 了 长 距 离 飞 行 的 成 本 。3.5进气道和尾喷管飞机的作战性能要求超音速巡航，进气道设计为外压式超音速进气道。进气道的稳定性作为设计参数非常重要。外压式进气道口外具有尖劈，使超音速气流在进气道口外形成斜激波，进气道口内则为扩张型通道，在通道内又形成一道结尾正激波，将超音速气流转

25、化为亚音速气流。外压式超声速进气道工作时，为消除其不稳定工作状态，设置放气活门。当发动机转速降低时，在进气道出口处打开放气活门，使进气道保持较大的空气流量。当外压式超声速进气道在超声速飞行状态下，会出现嗡鸣现象。为避免嗡鸣现象需要在进气道出口处设计辅助进气门。喷管的功能是将从加力燃烧室流出的燃气膨胀加速，将燃气中的一部分热焓转变为动能，从尾喷管高速喷出，产生反作用推力。本设计所采用的是可调的收敛扩张喷管。由于发动机提供给尾喷管的空气流量和膨胀比不断地发生变化，因此有必要对收敛扩张喷管的喉道面积和出口面积不断地进行调节，尽量避免过度膨胀或不完全膨胀现象的发生。 尾喷管还需要加装红外隐身装置，在战

26、场上红外导弹是对飞机有极大威胁的一类导弹，而这一类导弹锁定的目标就是尾喷管喷出的高温燃气。为加大飞机生存机会，特别在尾喷管加装红外隐身装置。四航空发动机的性能估算4.1 推力计算考虑燃气在喷管内完全膨胀时， ，油气比 大约为 0.0055，公式09pf简化为：)()1(09AcqfqFmama 09cqFma其中 ， ，skgma/850sc/3401.5得F=15450daN即其推力约为15450dN。接近所需要的 15000daN，基本满足设计要求，无需改进。4.2总压比计算涡轮风扇发动机总压比为各部件压比的乘积，所设计发动机有进气道增压比、风扇增压比、压气机增压比，总压比即为三者的乘积

27、aci，即所设计涡扇发动机的总压比约为364.524.3发动机热效率理想燃气轮机的热效率为58%.461-kit ）（， 即理想燃气轮机的热效率为46.58% ，它比预计的热效率50% 要小3.42%。基本满足设计要求。4.4发动机耗油率耗油率表示每小时产生1N推力所消耗的燃油量。sfc= s360fF式中f为油气比这里取0.0055kgs。 为单位推力取4.1 可得sfc为s0.3kg（hdaN） 。耗油率比设计要求低，经济性好。五设计总结及展望航空发动机是飞机最重要的部件，飞机推进系统的核心部件，在发动机设计过程中应当与其他包括航电系统，战斗系统、控制系统等一系列飞机设计子系统紧密联系，互相合作。航空发动机设计中，设计者在压气机、燃烧室两个部件设计详细。压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室设计完备，四个部件间相互配合，相互联系，是所设计涡轮风扇发动机的主要亮点所在。设计上任然有不足之处，热效率经过估算后不能达到设计指标，需改进设计。