航空发动机的发展历史课件.ppt

1/29/20231.1/29/20232.1/29/20233.航空发动机原理与构造1/29/20234.课程教学说明归属单位归属单位课程编号课程编号开课学期开课学期3 3总学时数总学时数7272学时学时学学 分分适用专业适用专业MEME首选教材首选教材 航空发动机原理与构造航空发动机原理与构造.中国民航大学校内讲义中国民航大学校内讲义1/29/20235.一、课程教学大纲说明n n本课程与其它课程的联系n n主要先修课程：气体动力学、工程热力学主要先修课程：气体动力学、工程热力学n n主要后续课程：专业英语、发动机机型主要后续课程：专业英语、发动机机型n n课程的性质n n机务专业（机务专业（MEME）专业必修课）专业必修课 1/29/20236.一、课程教学大纲说明n n课程的作用与任务 n n掌握航空发动机的基本工作原理和特性以及掌握航空发动机的基本工作原理和特性以及基本结构基本结构n n了解航空发动机各主要工作系统的组成、工了解航空发动机各主要工作系统的组成、工作原理作原理n n为今后从事相关飞机发动机维修工作打下理为今后从事相关飞机发动机维修工作打下理论基础论基础 1/29/20237.一、课程教学大纲说明n n考核方法n n考核方式考核方式n n考试课考试课n n闭卷、笔试闭卷、笔试n n平时成绩平时成绩1515分、卷面成绩分、卷面成绩8585分分1/29/20238.二、课堂要求n n课堂纪律n n不准迟到不准迟到n n旷课旷课1010次及以上取消考试资格次及以上取消考试资格n n上课期间保持安静等上课期间保持安静等1/29/20239.三、课程主要内容n n航空发动机的历史回顾n n热工气动基础n n航空发动机原理部分n n航空发动机构造部分1/29/202310.1.1 人类的飞天之梦n n两千多年前的风筝两千多年前的风筝n n世界上目前公认最早世界上目前公认最早的重于空气的飞行器的重于空气的飞行器n n它是如何飞起来的它是如何飞起来的n n一千多年以前的一千多年以前的“孔明灯孔明灯”n n世界上最早的、最原世界上最早的、最原始的热气球始的热气球n n现代热气球的鼻祖现代热气球的鼻祖1/29/202311.关于民间神话传说 n n嫦娥奔月（图1）n n舜帝的斗笠（图2）n n风神演义中的雷震子n n达芬奇笔下的“扑翼机”（图3 3）n n事实证明：依靠人力飞行是不可能的 1/29/202312.图1 嫦娥奔月 图2 舜帝的斗笠图3 达芬奇笔下的扑翼机 1/29/202313.气球、飞艇、无动力的滑翔机 n n飞上天有三种基本的途径：n n基于阿基米德浮力的原理基于阿基米德浮力的原理n n热气球、包括氢气、氦气球，包括飞艇热气球、包括氢气、氦气球，包括飞艇 n n基于直接有升力的飞行基于直接有升力的飞行n n火箭、垂直起落的飞机火箭、垂直起落的飞机 n n基于柏努利定律，以速度换取升力的飞行基于柏努利定律，以速度换取升力的飞行n n固定翼飞机、直升机、旋翼机固定翼飞机、直升机、旋翼机 1/29/202314.补充：关于飞机发动机的知识n n飞机的组成？飞机的组成？n n机身机身n n机翼机翼n n尾翼尾翼n n起落架起落架n n飞机动力装置飞机动力装置-发动机发动机n n飞机操纵系统飞机操纵系统n n各种其它设备各种其它设备1/29/202315.补充：关于飞机发动机的知识n n飞机是如何产生升力？飞机是如何产生升力？n n对于忽略重力位能的定熵绝能不可压流对于忽略重力位能的定熵绝能不可压流 n n贝努利方程贝努利方程 1/29/202316.补充：关于飞机发动机的知识n n飞机的起飞过程飞机的起飞过程n n飞机的降落过程飞机的降落过程1/29/202317.航空发动机发展历史 n n航空发动机百年历史可分为两个时期：n n第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到第第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止二次世界大战结束为止n n活塞式发动机统治了活塞式发动机统治了40404040年左右年左右n n第二个时期从第二次世界大战结束至今第二个时期从第二次世界大战结束至今n n60606060年来，航空燃气轮机取代了活塞式发动机年来，航空燃气轮机取代了活塞式发动机n n航空燃气轮机开创了喷气时代，居航空动力的主航空燃气轮机开创了喷气时代，居航空动力的主导地位导地位 1/29/202318.活塞式发动机时期 n n早期飞机动力源问题的解决过程 n n飞机动力源问题未解决导致屡次飞行失败飞机动力源问题未解决导致屡次飞行失败n n使用蒸气机作为动力源，质量过重使用蒸气机作为动力源，质量过重n n1810181018101810年，英国科学家凯利发现了飞行原理年，英国科学家凯利发现了飞行原理n n1876187618761876年，德国工程师奥托试制成热效率高于年，德国工程师奥托试制成热效率高于蒸汽机的四冲程煤气内燃机蒸汽机的四冲程煤气内燃机n n人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源人们试图采用内燃机作为飞机飞行的动力源1/29/202319.活塞式发动机1/29/202320.活塞式发动机时期n n人类历史上首次有人类历史上首次有动力、载人、持动力、载人、持续、稳定和可操续、稳定和可操作的重于空气飞作的重于空气飞行器的飞行行器的飞行 n n航空发动机从狭义航空发动机从狭义上是航空器飞行上是航空器飞行的动力，从广义的动力，从广义上它也是航空事上它也是航空事业发展的推动力业发展的推动力 1/29/202321.活塞式发动机时期n n活塞式发动机的发展n n飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展飞机用于战争目的推动航空蓬勃发展n n早期液冷式、气冷发动机早期液冷式、气冷发动机n n两次世界大战推动发动机的性能提高：两次世界大战推动发动机的性能提高：n n单机功率从不到单机功率从不到10 kW10 kW10 kW10 kW增加到增加到2500 kW2500 kW2500 kW2500 kW左右左右n n螺旋桨飞机的螺旋桨飞机的V V V V从从16km/h16km/h16km/h16km/h提高到近提高到近800 km/h800 km/h800 km/h800 km/hn n飞行高度达到飞行高度达到15000 m15000 m15000 m15000 mn n到到40404040年代末年代末,活塞发动机达到了发展的顶峰活塞发动机达到了发展的顶峰1/29/202322.活塞式发动机时期n n活塞式发动机固有的缺陷n n功率与重量的矛盾功率与重量的矛盾 n n发动机功率与飞行速度的三次方成正比发动机功率与飞行速度的三次方成正比 n n发动机功率的增加，将导致发动机重量迅速增大发动机功率的增加，将导致发动机重量迅速增大（接近三次方关系）（接近三次方关系）n n螺旋桨的局限螺旋桨的局限 n n接近音速时，导致螺旋桨工作不稳定，推进效率接近音速时，导致螺旋桨工作不稳定，推进效率急剧下降急剧下降 n n“音障音障”的出现的出现1/29/202323.音障n n音障是一种物理现象，当音障是一种物理现象，当物体物体（通常是（通常是航空器航空器）的速度接近的速度接近音速音速时，将会逐渐追上自己发出的时，将会逐渐追上自己发出的声波声波。声波叠合累积的结果，会造成。声波叠合累积的结果，会造成震波震波（Shock WaveShock Wave）的产生，进而对飞行器的加速）的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。碍称为音障。1/29/202324.音障n n在物体的速度快要接近音速时，周边的空气受在物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。物体穿越音障后，周围压力将会陡降。n n在比较潮湿的在比较潮湿的天气天气，陡降的压力所造成的瞬间，陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的低温可能会让气温低于它的露点露点（Dew Dew PointPoint）温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，）温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，肉眼看来就像是云雾般的状态。肉眼看来就像是云雾般的状态。n n由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团云团。1/29/202325.1/29/202326.燃气涡轮发动机时期n n第二个时期:从第二次世界大战结束至今 n n6060年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机式发动机n n开创了喷气时代，居航空动力的主导地位开创了喷气时代，居航空动力的主导地位n n喷气发动机的早期设想喷气发动机的早期设想 n n1937年，英国的惠特尔和德国的奥海因分别研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和HeS3B 1/29/202327.1/29/202328.1/29/202329.涡轮喷气发动机n n19391939年年8 8月月2727日率先装在亨克尔公司的日率先装在亨克尔公司的He-He-178178飞机上试飞成功飞机上试飞成功n n这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机n n开创了喷气推进时代和航空事业的新纪元开创了喷气推进时代和航空事业的新纪元n n世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫尤莫-004-004 n n19421942年年7 7月月1818日德国工程师把日德国工程师把HeHeS3BS3B装在装在梅塞梅塞施米特施米特Me-262Me-262飞机飞机上试飞成功上试飞成功 n n1944.91944.91945.51945.5，Me-262 Me-262共击落盟军飞机共击落盟军飞机613613架，自己损失架，自己损失200200架（包括非战斗损失）架（包括非战斗损失）1/29/202330.涡轮喷气发动机n n战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机：轮喷气发动机：n n美国通用电气公司的美国通用电气公司的J47J47轴流式涡喷发动机轴流式涡喷发动机n n苏联克里莫夫设计局的苏联克里莫夫设计局的RD-45RD-45离心式涡喷发动机离心式涡喷发动机n n推力推力2650daN2650daN左右，推重比为左右，推重比为2 23 3 n n它们分别在装在它们分别在装在F-86F-86和米格和米格-15-15战斗机上服役。这战斗机上服役。这两种飞机在朝鲜战争期间展开了你死我活的空战两种飞机在朝鲜战争期间展开了你死我活的空战1/29/202331.涡轮喷气发动机n n5050年代末至年代末至6060年代初，各国研制了年代初，各国研制了M2M2飞机的飞机的一批涡喷发动机一批涡喷发动机 n n如如J79J79、J75J75、埃汶、奥林帕斯、阿塔、埃汶、奥林帕斯、阿塔9C9C、R-11R-11和和R-13R-13n n推重比已达推重比已达5 56 6 n n6060年代中期用于年代中期用于M3M3飞机的飞机的J58J58和和R-31R-31n n7070年代初，用于年代初，用于“协和协和”超声速客机的奥林帕斯超声速客机的奥林帕斯593593涡喷发动机定型涡喷发动机定型n n从此再没有重要的涡喷发动机问世从此再没有重要的涡喷发动机问世 1/29/202332.涡扇发动机n n涡扇发动机的发展来自于民用发动机n n19591959年定型的英国康维年定型的英国康维n n世界上第一台涡扇发动机世界上第一台涡扇发动机n n涵道比有涵道比有0.30.3和和0.60.6，推力为，推力为5730daN5730daNn n耗油率比同时期的涡喷发动机低耗油率比同时期的涡喷发动机低10%10%20%20%n n用于用于VC-10VC-10、DC-8DC-8和波音和波音707707客机客机 n n涡扇发动机两个发展方向n n低涵道比的军用加力发动机低涵道比的军用加力发动机n n高涵道比的民用发动机高涵道比的民用发动机1/29/202333.1/29/202334.1/29/202335.1/29/202336.1/29/202337.1/29/202338.1/29/202339.1/29/202340.军用涡扇发动机n n2020世纪世纪6060年代年代n n英、美研制出斯贝英、美研制出斯贝-MK202-MK202和和TF30 TF30 n n用于英国购买的用于英国购买的“鬼怪鬼怪”F-4M/K”F-4M/K战斗机和美国的战斗机和美国的F111F111（后又用于（后又用于F-14F-14战斗机）战斗机）n n在在70708080年代各国研制出推重比年代各国研制出推重比8 8的涡扇发动的涡扇发动机机n n如美国的如美国的F100F100、F404F404、F110F110，西欧三国的，西欧三国的RB199RB199，前苏联的，前苏联的RD-33RD-33和和AL-31FAL-31Fn n装备第三战斗机，如装备第三战斗机，如F-15F-15、F-16F-16、F-18F-18、“狂风狂风”、米格米格-29-29和苏和苏-27-27 1/29/202341.n n目前，推重比10涡扇发动机投入服役n n美国美国F-22/F119F-22/F119、西欧、西欧EFA2000/EJ200EFA2000/EJ200和法国的和法国的“阵风阵风”/M88”/M88n nF-22/F119F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征具有第四代战斗机代表性特征-超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力力n n超声速垂直起飞短距着陆的超声速垂直起飞短距着陆的JSFJSF动力装置动力装置F136F136正在研制之中，预计将于正在研制之中，预计将于2010201020122012年投入服役。年投入服役。1/29/202342.民用发动机的研制n n20世纪70年代n n第一代推力在第一代推力在20000daN20000daN以上的高涵道比以上的高涵道比（4 46 6）涡扇发动机投入使用）涡扇发动机投入使用n n开创了大型宽体客机的新时代开创了大型宽体客机的新时代 n n90年代中期n n装备波音装备波音777777投入使用的第二代高涵道比投入使用的第二代高涵道比（6 69 9）涡扇发动机的推力超）涡扇发动机的推力超35000daN35000daNn n通用电气公司通用电气公司GE90-115BGE90-115B在在20032003年年2 2月创月创造了造了56900daN56900daN的发动机推力世界纪录。的发动机推力世界纪录。1/29/202343.n n目前，普惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000齿轮传动涡扇发动机n n推力为推力为11 00011 00016 000daN16 000daNn n涵道比涵道比1111，耗油率下降，耗油率下降9%9%n n罗罗公司生产的喘达系列发动机 1/29/202344.发动机GE90115B 波音777-300ER大型双发旅客机 1/29/202345.1/29/202346.活塞式发动机1/29/202347.喷气发动机的早期设想 1/29/202348.