飛機(jī)的動(dòng)力裝置

1、飛機(jī)的動(dòng)力裝置3.3.1 概述為航空器提供動(dòng)力，推動(dòng)航空器前進(jìn)的裝置，稱(chēng)為航空動(dòng)力裝置，也稱(chēng)航空推進(jìn)系統(tǒng)。它包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及為保證其正常工作所必需的系統(tǒng)和附件，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和防火系統(tǒng)等。 航空推進(jìn)系統(tǒng)是利用反作用原理為航空器提供推力的。根據(jù)牛頓第三定律，航空推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)使一種工質(zhì)(工作介質(zhì))沿飛行相反方向加速流動(dòng)，工質(zhì)就在航空器上施加一個(gè)反作用力。推動(dòng)航空器前進(jìn)的這個(gè)反作用力就是推力，其大小等于工質(zhì)質(zhì)量與工質(zhì)在推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)加速度的乘積。發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行器的動(dòng)力源，它的性能對(duì)飛行器性能有極重要的影響。人們常形象地稱(chēng)之為飛行器的心臟。與航空器的發(fā)展史一樣，航空發(fā)動(dòng)機(jī)也經(jīng)歷了百

2、余年的發(fā)展。1885年，美國(guó)人萊特兄弟在技師泰勒的幫助下，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，1903年將這種發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳裝于萊特兄弟制造的一架雙翼飛機(jī)，完成了人類(lèi)歷史上的首次有動(dòng)力的飛行，開(kāi)創(chuàng)了飛行的新紀(jì)元。從二十世紀(jì)初到二十世紀(jì)四十年代中期，所有帶動(dòng)力的飛行器都毫無(wú)例外的以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)/螺旋槳為動(dòng)力裝置。飛行速度乘推力即是發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供的推進(jìn)功率。如果不考慮由螺旋槳軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)功率過(guò)程的損失，則發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率就等于推進(jìn)功率。1943年左右，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已發(fā)展到很高的水平，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可達(dá)2800kW,，耗油率近似為0.3kg/(kW.h),功率與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的比值等于1.01.4kW

3、/kg, 1935年，德國(guó)人漢斯 馮 奧海因 (Hans von Ohain) 博士開(kāi)始世界上第一臺(tái)離心式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) HeS-3A 的設(shè)計(jì)，于1936年完成研制。該發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展型 HeS-3B 由海特爾 昆特 (Hertel Gnter) 博士完成，推力約400daN，裝于首架?chē)姎馐斤w機(jī)亨克爾He-178 上，1939年8月27日完成首飛，使飛機(jī)的飛行速度達(dá)到700 km/h。1942 年，另一位德國(guó)人海爾伯特 瓦格納 (Herbert Wagner) 教授完成了世界上第一臺(tái)軸流燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。在瓦格納教授的研究基礎(chǔ)上，奧地利工程師安塞爾姆 弗朗茲 (Anselm Franz) 博士加以

4、改造和完善，最終設(shè)計(jì)定型為容克 Jumo 004 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，推力882daN，用作二戰(zhàn)時(shí)期德國(guó)著名的Me-262雙發(fā)噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力。單軸不加力的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表示于圖3.3.1。圖3.3.1(a)是具有軸流壓氣機(jī)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，圖3.3.1(b)是具有離心式壓氣機(jī)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣連續(xù)不斷地被吸入壓氣機(jī)，并在其中壓縮增壓后，進(jìn)入燃燒室中噴油燃燒成為高溫高壓燃?xì)?，再進(jìn)入渦輪中膨脹作功以驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。經(jīng)過(guò)渦輪的氣流仍然具有較高的壓力和溫度，通過(guò)尾噴管以高速排出發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生反作用推力。假定來(lái)流速度，排氣速度，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，由于，因此發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣流施以向

5、后的作用力，其大小為，即質(zhì)量乘加速度。根據(jù)力的相互作用原理，氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大小相等方向相反的力，此力即為推力： (3.3.1)與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)/螺旋槳?jiǎng)恿ρb置比較，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有如下主要特點(diǎn)：1)、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是熱機(jī)但本身不能產(chǎn)生推力，只能從軸上輸出功率帶動(dòng)螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推力，所以螺旋槳稱(chēng)為推進(jìn)器?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)(熱機(jī))加螺旋槳(推進(jìn)器)稱(chēng)為活塞式動(dòng)力裝置。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)既是熱機(jī)又是推進(jìn)器；(a)帶有軸流壓氣機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)b) 帶有離心式壓氣機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖 3.3.1 典型的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2)、在一定的飛行速度范圍內(nèi)，隨著飛行速度的增加，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力增加，因

6、為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量隨著飛行速度的增加而增加，因此渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)適于高速飛行；3）、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣是間斷地進(jìn)入氣缸，氣體的壓縮、燃燒和膨脹過(guò)程發(fā)生在同一氣缸中，只有一個(gè)行程對(duì)外作功；而燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，空氣是連續(xù)不斷地被吸入，氣體的壓縮、燃燒和膨脹過(guò)程分別在壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管等不同部件中連續(xù)地進(jìn)行，因而渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有更大地功率輸出；4）、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是往復(fù)機(jī)械，慣性力大，故轉(zhuǎn)速不能太大，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)速可以較高； 5）、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程在封閉的空間中進(jìn)行，燃燒過(guò)程中氣體的壓力和溫度急劇地上升，必須采用笨重的汽缸；渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地燃燒過(guò)程在開(kāi)口的空間進(jìn)行

7、，燃燒過(guò)程基本上是等壓的，燃燒室結(jié)構(gòu)輕巧；6）與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最大的缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性差。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，是熱機(jī)發(fā)展史上的重大突破，不僅使飛機(jī)突破了聲障而且能達(dá)到聲速的3倍以上。從20世紀(jì)40年代末到21世紀(jì)初，與噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展歷程類(lèi)似，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。第一代，大約從20世紀(jì)40年代末到50年代中,典型的代表有在朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)中國(guó)人民志愿軍使用的蘇制米格15飛機(jī)/BK1-F渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)美國(guó)F86佩刀式飛機(jī)/J47渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，兩者都是亞聲速飛機(jī)。BK1-F的推力約為3000kgf,發(fā)動(dòng)機(jī)推重比為2.0左右。屬于第一代的典型的代表還有蘇聯(lián)米格19/-9,表一列有典型的第一代航空燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)。表 3.3.1 第一代發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)別發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)類(lèi)型裝備的飛機(jī)機(jī)推力/重重比蘇聯(lián)BK-1F渦輪噴氣米格152.034美國(guó)J47渦輪噴氣F86蘇聯(lián)-9加力渦輪噴氣米格19美國(guó)J57加力渦輪噴氣F100第二代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，大約從20世紀(jì)50年代中使用到70年代，其典型代表列于表