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科普丨究竟什么是航空发动机?

“发动机”是飞机动力装置的主要组成部分。它的主要功用是提供飞机运动所需的动力一—“推力”或“拉力”,用以克服飞机的惯性和空气阻力。

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现代航空发动机主要有两种类型:“活塞式发动机”和“喷气式发动机”。低速、小型、短程飞机常用“活塞式发动机”;高速、大(中)型、远(中)程飞机常用“喷气式发动机”。无论哪种型式,当作为航空发动机时,其基本要求均可归结如下:

一、功率重量比大

设计飞机的任何部件,都应在满足使用要求的前提下,尽量减轻其重量。对发动机来说,就是要保证足够大的功率而自重又很轻。衡量发动机功率大、重量轻的标准是“功率重量比”。即发动机所发出的功率与发动机重量之比值。“功率重量比”越大,表示在有相同功率的情况下,发动机越轻。

功率重量比的单位,对活塞发动机来说,是“马力/公斤”;对喷气式发动机来说,是推力(牛顿)/重量(牛顿),无单位。

二、燃油消耗量小

发动机是否省油,是飞机使用的重要经济指标。评定发动机的经济性,常用“燃油消耗率”作标准。“燃油消耗率”是指单位功率(一牛顿或一马力)在一小时内所消耗油料的重量。燃油消耗率越小,说明发动机越省油。

三、迎风面积小

航空发动机应在保证功率不减小的前提下,力求体积较小。体积小,可以使发动机占据的空间小,有利于飞机装载人员、货物、设备。在体积尺寸中,应力求减小“迎风面积”,以减小空气阻力。

四、工作安全可靠、寿命长

飞机在空中飞行的安全,是由各组成部分可靠工作来保证的。要维持飞行,发动机就必须始终处于可靠状态。所以,发动机的可靠性是十分重要的。为了保证发动机工作安全可靠,必须精心设计、选用合适材料、严格工艺规程。并在发动机组装完成后,进行“试车”一一在“试车台”上模拟各种高度条件。在装上飞机之后,还要进行试车。只有当确定各项规定指标都符合要求时,飞机才能飞行。为了保证飞机随时处于可靠状态,在整个使用过程中,还要定期对发动机进行检查和维修。

在保证发动机可靠性的前提下,要求发动机的“寿命长”。这是发动机经济性的另一项指标。寿命长,可以降低使用成本、节约原材料。

发动机的寿命分两种:“翻修寿命”和“使用寿命”。“翻修寿命”是指两次“翻修”之间或新发动机开始使用至第一次翻修之间的使用(实际工作)时间,单位是“小时”。“使用寿命”是指全新发动机由开始使用到报废的使用(实际工作)时间,单位也是“小时”。由于设计、材料、工艺、使用条件不同,各发动机的“寿命”都不相同。

五、维护、修理方便

维护、修理,统称为维修。这是保证发动机可靠性的重要工作。发动机能否随时处于可靠状态,很大程度决定于“维修”质量。维修的好坏,影响发动机的寿命。

维护的目的之一,是发现故障和排除故障,并对必要的部位进行检测、清洗、更换润滑油等。根据发动机工作的长短,维护工作一般都按不同的项目定期进行。而“修理”则是在零部件损坏的情况才进行。由于“维修”工作量很大,所以占飞机使用成本的很大比例。这就有必要在设计时考虑便于拆装、检查和维修的方便性,以减小维修工作量,降低维修成本。

六、飞行器发动机的分类

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飞行器发动机的主要功用是为飞行器提供推进动力或支持力,是飞行器的心脏。自从飞机问世以来的几十年中,发动机得到了迅速的发展,从早期的低速飞机上使用的活塞式发动机,到可以推动飞机以超音速飞行的喷气式发动机,还有运载火箭上可以在外太空工作的火箭发动机等,时至今日,飞行器发动机已经形成了一个种类繁多,用途各不相同的大家族。

飞行器发动机常见的分类原则有两种:按空气是否参加发动机工作和发动机产生推进动力的原理。按发动机是否须空气参加工作,飞行器发动机可分为两类,大约如下所示:

吸空气发动机简称吸气式发动机,它必须吸进空气作为燃料的氧化剂(助燃剂),所以不能到稠密大气层之外的空间工作,只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同,吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。

火箭喷气式发动机是一种不依赖空气工作的发动机,航天器由于需要飞到大气层外,所以必须安装这种发动机。它也可用作航空器的助推动力。按形成喷气流动能的能源不同,火箭发动机又分为化学火箭发动机、电火箭发动机和核火箭发动机等。

按产生推进动力的原理不同,飞行器的发动机又可分为直接反作用力发动机、间接反作用力发动机两类。直接反作用力发动机是利用向后喷射高速气流,产生向前的反作用力来推进飞行器。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机,这类发动机有涡轮喷气发动机、冲压喷气式发动机,脉动喷气式发动机,火箭喷气式发动机等。

间接反作用力发动机是由发动机带动飞机的螺旋桨、直升机的旋翼旋转对空气作功,使空气加速向后(向下)流动时,空气对螺旋桨(旋翼)产生反作用力来推进飞行器。这类发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨风扇发动机等。而涡轮风扇发动机则既有直接反作用力,也有间接反作用力,但常将其划归直接反作用力发动机一类,所以也称其为涡轮风扇喷气发动机。

七、飞机上发动机的安装位置与发动机的数目及型式有关。

1.活塞发动机和涡轮螺桨发动机的安装位置

活塞发动机和涡轮螺桨发动机在飞机上目前多安装一台、两台或四台,一般多是拉进式(即螺旋在前)的,装在机头或机翼前缘,这样可以使机翼上所受的载荷降低,因为发动机的重力和举力的方向想反,减少了由这些外力所引起的弯矩。

另一种是推进式的,发动机装于机翼后沿或机身后段。这种安排使机翼位于螺旋桨的滑流之外,阻力会降低,但主起落架较高,重量增大;而且发动机在地面工作时冷却条件也较差,因而目前使用较少。

目前也有一种轻型飞机将发动机安装在垂尾上,以降低机身离地面高度,可在起飞时充分利用地面效应。

2.涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机的安装位置和固定 。

这两类发动机在飞机上的安装位置相似,可用涡轮喷气发动机作为代表。

一台涡轮喷气发动机多装在机身后段或机身下部。这种方式有利于维护修理,只要将机身后段拆卸开就行了;同时还可让出机身短舱或前段的空间,以便容纳人员和武器装备。

这种发动机安排方式主要用于战斗机。

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两台涡轮喷气发动机有几种安排方式。常见的一种是把两台发动机各装在一只短舱内,这种方式的优点是机身空间大,装载的人员和设备多;对机翼能起减少载荷的作用。但其构造比较复杂,而且还会增大阻力和降低机翼的后掠作用。

第二种双发的安排方式是把发动机装在机翼下的吊舱内。这种方式的好处是减少短舱和机翼的干扰,对提高最大举力系数有利;防火性能较好;可采用全翼展的襟翼。另外,由予短舱离地近,维护比较方便,但易于吸入尘土。

双发的第三种安排方式是把两台发动机并列在后机身外部的两侧,这种叫尾吊式。其优点是座舱内噪音小,机翼上没有东西(如短舱)干扰,气动性能较好;进气和排气通道较短,因而能量的损失较少。但这种安排的构造比较复杂;也比较重。

这几种安排方式多用于运输机或轰炸机。

双发的第四种安排方式是,把发动机左右并列(或上下叠置)安装在后机身的内部。某型后掠翼超音速歼击机就是这样,这种安排方式,在单发飞行时,由于两边推力不平衡而引起的使机头偏向一边的力矩比较小;但发动机所占机身的容积很大,不利于装载其他的设备。

这种发动机安排方式主要用于战斗机。

三台喷气发动机多用于运输机。其安排方式有两种。一种是两台发动机并列装在机身后段,另一台装在垂直尾翼上。这种安装方式的优点是,如果发动机发生故障,涡轮损坏,被强大的离心力摔开的碎片不致破坏飞机的主要受力构件,比较安全。同时,并列的两台发动机也可固定于气密座舱之外。

另一种三发的安排方式是,把两台涡轮风扇发动机安装在机翼下的吊舱内,另一台安装在垂直尾翼内。其特点和安装情况和装有吊舱的及垂直尾翼中安装一台的情况相似。飞机的两种布局(三发动机)

四台喷气发动机的安排方式比较常见的有四种。一种是四台发动机都置于机翼下的吊舱内,这种方式多用于运输机,但也有轰炸机采用这种形式的。

四发的第二种安排方式是,把四台发动机都并列在机身后段外部的两侧(尾吊式),其特点两台发动机尾吊式相近。

四发的第三种安排方式是,把发动机安装在靠近机身的机翼内部,每边放两台,这种方式的构造复杂。但一台发动机停车时,却可减小偏航力矩,而且还可消除或削弱短舱和机身的干扰作用。

最后一种是把四台喷气发动机每两台成为一组,安装在机翼的底部,其特点是发动机短舱的剖面呈长方形的,上下表面形成飞机结构的一部分。

B-52亚音速战略重型轰炸机装有八台喷气发动机,每两台成一组,装在机翼下面的4只吊舱中,其安装位置和固定的特点与四个吊舱的飞机相似。

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(来源:AOPA云)

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