各类喷气发动机原理

部件分拆：进气道，风扇（推进），低压压气机，高压压气机，燃烧室，涡轮（受力），尾椎（稳流），加力燃烧室，中心转轴结构，转轴与部件的连接，各部件转速要求，叶片的分布与结构。

喷气发动机的推重比

喷气发动机的推力（千牛顿）和发动机自身的净重（磅）之比，称为发动机的推重比。

涡轮风扇发动机的涵道比

外涵道与内涵道的流量之比，

叫做涵道比，也叫流量比。

涵道比大：经济性好；涵道比小：速度较快

喷气发动机的热效率 一个循环的做功输出 = q1 － q2   　　

即为阴影部分的面积。那么，理想卡诺循环热机的热效率： 　

n=W/ q1=1 － T2/T1

推进效率

推进效率 = 传给飞行器的推进功率 / 进排气的机械能之差

推进效率 =--------------------- 1+ 排气速度 / 进气速度

2

牛顿第三运动定律 作用在一物体上的每一个

力都有一方向相反大小相等的反作用力。

喷气发动机的分类 冲压式 冲压式 脉动冲压式 涡轮式（重点） 涡喷（超音速） 涡扇（亚音速） 涡轴（直升飞机） 涡桨（低速飞机）

冲压式喷气发动机的诞生

•1913年 雷恩洛兰

•1928年 保罗施密特

•1934年 保罗施密特、 G 马德林

•1941年 欧根森格尔

冲压式喷气发动机

冲压式喷气发动机工作原理 组成：进气道（又称扩压器，）、燃烧室、推进喷管。无压气机（也就不需要燃气涡轮，减轻重量）

原理：冲压。迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压。

冲压式喷气发动机的分类

亚 音 速 冲 压 发 动 机

超 音 速 冲 压 发 动 机

高 超 音 速 冲 压 发 动 机

亚音速冲压发动机a) 喷管形式：扩散形进气道和收敛形喷管

b) 所用燃料：航空煤油

c) 增压比：不超过 1.89

d) 工作马赫数：小于 O.5 时一般不能正常工作（局限性）

e) 用途：亚音速导弹，只要给初始速度。

超音速冲压发动机a) 喷管形式：超音速进气道（燃烧室入口

为亚音速气流）和收敛形或收敛扩散形喷管

b) 所用燃料：航空煤油或烃类燃料c) 工作马赫数：亚音速～ 6 倍音速d) 用途：超音速靶机和地对空导弹（一般

与固体火箭发动机相配合，火箭给出初始速度）。

高超音速冲压发动机

a) 所用燃料：

碳氢燃料或液氢燃料，类似美国 X35

太空飞船）

b) 工作马赫数：

5 ～ 16

冲压式喷气发动机的优、缺点

• 优点构造简单、重量轻、体积小、推重比大，成本低

• 缺点没有压气机，不能在低速使用，有局限性。

没有压气机，不能在静止的条件下起动，所以常与别的发动机配合使用，成为组合式动力装置。

如冲压发动机与火箭发动机组合，冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。

脉动冲压式喷气发动机

脉动冲压式喷气发动机工作原理

i. 组成：单向活门、燃烧室、尾喷管。

ii.原理：间歇性燃烧原理。可在静止状态工作。

　　

iii. 原理性试验，无适用产品。

脉动冲压式喷气发动机的优、缺点

• 优点：可以原地起动，构造简单，重量轻，造价便宜。

• 缺点：速度极限低（约为每小时 640～ 800

公里），飞行高度也有限，单向活门的工作寿命短，振动剧烈，油耗高。

涡轮喷气发动机的诞生

•1913年 雷恩洛兰

•1930年 弗兰克惠特尔

•1941年 弗兰克惠特尔

涡轮喷气发动机

燃烧室的高温高压气体，部分能量驱动涡轮旋转，进而带动压气机是涡轮喷气发动机的关键点！

涡轮喷气发动机的工作原理 组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管（加力燃烧室）

热机做功原理：在高压下输入能量，低压下释放能量。气体依次流经喷气发动机的各个部分，进气、加压、燃烧（少部分能量驱动涡轮进行能量转换，多数能量作为推力）和排气这四个阶段连续进行。

涡轮喷气发动机的优、缺点

优点• 加速快、设计简单。

缺点• 推力高与降低油耗的矛盾

涡轮风扇发动机的诞生• 30年代 早期设计• 4050年代 早期试验• 1957年 GE公司推出 CJ805-23 PW公司推出 JT3D• 1960年 Boeing707 了 RR公司的Conway。

Boeing747使用 RR公司的 RB211 -22B

涡轮风扇发动机 关键点：涡轮风扇发动机有二组涡轮，分别带动高压压气机、低压压气机联接风扇，这些涡轮是同轴心的。

涡轮风扇发动机的诞生背景 活塞式发动机的诞生（同等体积下，无法形成大推力） 涡轮喷气发动机的诞生（形成涡轮风扇发动机可以使用

的主要构件） 涡轮喷气发动机的缺点（相比涡轮风扇发动机） 高速战斗机（改善操纵性与经济性平衡） 亚音速民用运输机（追求与需要最最安全性基础上的经

济性，快速性、远程性的平衡）

涡轮风扇发动机的效率

发动机效率• 热效率• 推进效率

涡轮风扇发动机的内外涵道的设计比例不同，可以适用不同飞机的需要。

加力式涡轮风扇发动机

涵道比 <1.0。在高速飞行时，发动机的加力打开（实际上后级是冲压发动机的结构）。

特点：不开加力时省油，开加力时推重比大。用途：新一代歼击机。

不加力式涡轮风扇发动机特点：平衡的涡轮前温度、风扇直径、

经济性、飞行速度。风扇直径大，空气流量就大，因而推力也较大。噪音也较小。

涵道比 >8

用途：现代大型干线 客机 、军用运输机

涡轮风扇发动机的优、缺点

• 优点• 效率高、油耗低，

飞机航程远

• 缺点• 技术复杂、价格昂贵

涡轮轴发动机的诞生

•1950年 Turbomeca公司， Artouste-1。

•1951 年 12月 试飞•1954年 贝尔公司 XH-13F试飞。•50年代中期 大量适用于直升机。

涡轮轴发动机

• 1951 年 12月第一次飞行

•由涡轮风扇发动机的原理演变而来，

•主要用在直升机和垂直／短距起落飞机上。

涡轮轴发动机 本质上与涡轮风扇原理一致，只不过燃烧后的动力多数通过自由涡轮转换为动力输出机械能，动力输出端可以变换叶片的大小与形状，适应不同的需求。自由涡轮与普通涡轮不一定同轴心。

涡轮轴发动机工作原理• 组成：进气道、压气机、燃烧室和尾喷管、自由涡轮，自由涡轮与普通涡轮不一定同轴心）

• 特点：尾喷管推力很小，合理安排直升机的结构；喷口方向自由度高，有利于直升机设计时的总体安排。与旋翼配合。

• 旋翼直径愈大，升力愈大。

涡轮轴发动与活塞发动机的比较• 功率重量比更大，在 2.5以上 　　• 功率更大，最高可达 6000马力甚至 10000马力• 经济性耗油率略高于最好的活塞式发动机，但它所用的航空煤油要比前者所用的汽油便宜。

• 航空煤油比航空汽油安全性高，相对不易爆炸与燃烧。

• 目前主要类型的直升机都是涡轮轴发动机。

涡轮轴发动机的优、缺点优点•功率大、重量轻、功率重量比 >2.5

缺点•制造困难、初始成本高、传动系统简单、减速齿轮系统重（减速齿轮可以安装在自由涡轮后至动力端之间的任意位置 )

涡轮螺旋桨发动机

涡轮螺旋桨发动机的诞生

为了加大涵道比 ,提高效率，人们索性便抛去了风扇的外涵壳体，用螺旋桨代替了风扇，便形成了涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机。

涡轮螺旋桨发动机的工作原理• 组成：螺旋桨、燃气发生器

• 工作原理：与涡轮轴发动机一样，都有自由涡轮的概念，带动减速器，将涡轮转速降至较低水平，驱动螺旋桨，涡轮浆发动机的转速基本恒定，依靠变化螺旋桨的角度来变化推力。

• 应用：中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机

涡轮螺旋桨发动机的实质

涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气流量也远大于内涵道，因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。

涡桨发动机的与涡扇发动机的区别 主要为螺旋桨的轴功率，尾喷管喷出的燃气推

力极小，只占总推力的 5% 左右，自由涡轮级数多，一般为 2 ～ 6 级。

涡轮风扇发动机外涵道可占总推力的 80% 。

最大的区别是：涡轮风扇与压气机一定是同轴的，而涡轮浆与压气机不一定同轴。

涡轮螺旋桨发动机的优、缺点

优点：功率大，功重比（功率 / 重量）大稳定性好，噪音小适用高度和速度范围高。缺点：适用速度不能太高 （ <900km/h ）。

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2023年4月21日 星期五