1 航空宇航学院 发动机的选择 2 航空宇航学院 飞机总体设计框架 设计 要求 设计 要求 布局型式选择 布局型式选择 主要参数计算 主要参数计算 发动机选择 发动机选择 部件外形设计 机身机翼尾翼 起落架进气道 部件外形设计 机身机翼尾翼 起落架进气道 三面图 部位安排图 结构布置图 三面图 部位安排图 结构布置图 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 是否满足 设计要求 最优 是否满足 设计要求 最优 3 航空宇航学院 内容提要 ?对发动机的要求 ?航空发动机的种类 ?发动机外部特性 ?发动机类型的选择 ?发动机选择的步骤 ?举例 } 复习 4 航空宇航学院 对发动机的要求 ?良好的推力或功率速度特性和高度特性 ?耗油率低 ?重量轻 ?发动机外廓几何尺寸小 ?安全可靠故障率低 ?工作寿命长 ?使用维护方便 ?其他要求价格环境保护要求 5 航空宇航学院 发动机的主要相对参数 ?推重比或功率重量比 发动机的推力与其自身重量的比值即表示发动机单 位自重所能产生推力的大小 对于活塞式发动机则是其单位自重所能提供的功率 ?单位迎面推力 发动机的推力与其最大迎风面积之比代表发动机每 单位迎风面积所产生推力的大小 6 航空宇航学院 航空发动机的种类 ?活塞式螺旋浆Piston / Propeller ?涡轮喷气Turbo Jet ?涡轮螺旋浆Turbo / Propeller ?涡轮风扇Turbofan ?冲压Ramjet ?火箭Rocket 7 航空宇航学院 活塞式螺旋浆 特点 ?优点是价格比较便宜 耗油率低 ?缺点是使用寿命较低 ?只能用于亚声速飞机 应用 ?轻型飞机AC-5 ?超轻型飞机AD-100 8 航空宇航学院 涡轮喷气 特点 ?优点 ?结构紧凑 ?推力大 ?缺点 ?耗油率高 应用 ?战斗机 ?教练机 产生推力原理 )( vvmT 喷空气 = 9 航空宇航学院 涡轮螺旋浆 产生推力原理燃气涡轮发动机喷气产生的推力很 小主要是靠螺旋桨产生拉力 10 航空宇航学院 优点 ?耗油率与活塞式发动机相近功率耗油率 的速度特性和高度特性优于活塞式发动机 ?功率重量比较大 ?单位迎风面积的功率值较大 ?故障率低使用寿命长 缺点 ?受到螺旋桨效率的限制只适用于亚声速飞机 应用 民用飞机Y-7 军用运输机Y-8 11 航空宇航学院 涡轮风扇 产生推力原理)( vvmP 喷空气 = 12 航空宇航学院 涡轮风扇 优点 ?亚音速时不加力的耗油率较 低 ?加力比较大 缺点 ?迎风面积较大 ?结构较复杂 应用 ?各种不同类型飞机 13 航空宇航学院 冲压发动机 优点 ?结构简单重量轻 缺点 ?低速时不能启动 故不能单独使用 应用 ?无人飞机 工作原理 14 航空宇航学院 发动机外部特性 ?推力功率特性 -转速特性 1加力工作状态 2最大工作状态 3额定工作状态 4巡航工作状态 5慢车工作状态 -推力的速度特性T P -V -推力的高度特性T P -H 15 航空宇航学院 发动机外部特性续 ?耗油率特性 -速度特性C P C J -V -高度特性C P C J -H -转速特性: C P C J -n 16 航空宇航学院 1. 活塞式螺旋浆发动机外部特性 ?功率特性 -速度特性P V = P V=0 -高度特性P H = P H=0 ( H < H * ) 25.1 *0 )( ? ? = =HH PP ( H > H * ) ?耗油率特性 ?速度特性C e,V =C e,V=0 (1+8M 2 ) ?高度特性C e,H =C e,H=0 17 航空宇航学院 ?螺旋浆拉力 -速度特性T V = T V=0 1-M -高度特性T H = T H=0 · T T 18 航空宇航学院 2. 涡轮喷气发动机外部特性 ?速度特性 T V = T V=0 1 - 0.32M + 0.40M 2 -0.01M 3 = T V=0 C e,V =C e,V=0 (1 + 0.38M - 0.05M 2 ) =C e,V=0 19 航空宇航学院 ?高度特性 T H = T H=0 · 0.85 ( H < 11000 m ) T H = T H=0 ·1.2 ( H > 11000 m ) C e,H =C e,H=0 · 0.12 ( H < 11000 m ) C e,H =C e,H=0 ·0.863 ( H > 11000 m ) 20 航空宇航学院 推力特性 耗油率特性 T T 21 航空宇航学院 3. 涡轮螺旋浆喷气发动机外部特性 ?速度特性 T V = T V=0 · · v C e,V =C e,V=0 (1 + 0.38M - 0.05M 2 ) ?高度特性 T H = T H=0 · 0.85 · H ( H < 11000 m ) T H = T H=0 ·1.2 · H ( H > 11000 m ) C e,H =C e,H=0 · 0.12 ( H < 11000 m ) C e,H =C e,H=0 ·0.863 ( H > 11000 m ) 其中 v = 3.2M(1-M) (M < 1) v = 0 (M > 1) H = 0.47 22 航空宇航学院 4. 涡轮风扇发动机外部特性 ?速度特性 T V = T V=0 · ·(1-0.16M) C e,V =C e,V=0 · ·(1+0.072M) ?高度特性 T H = T H=0 · 0.85 ( H < 11000 m ) T H = T H=0 ·1.2 ( H > 11000 m ) C e,H =C e,H=0 · 0.12 ( H < 11000 m ) C e,H =C e,h=0 ·0.863 ( H > 11000 m ) 其中为函道比 23 航空宇航学院 涡轮风扇发动机推力及耗油率与涵道比的关系曲线 24 航空宇航学院 发动机类型的选择 根据飞行高度和速度 M=1 M=2 M=3 M=4 1000 2000 3000 4000 V km/h H 25 航空宇航学院 发动机类型的选择续 ?活塞式发动机与涡轮螺旋桨发动机 -共同点低速特性良好和耗油率低 -何时选用活塞式发动机 * 轻小型飞机农业飞机体育运动飞机 * 对飞行速度和飞行高度要求不高的飞机 * 强调轻便灵活操纵使用方便 -何时选用涡轮螺旋桨发动机 * 需用功率较大速度高度要求稍高的民用飞机 * 飞行M数大于0.5 26 航空宇航学院 发动机类型的选择续 ?涡轮螺旋桨与高涵道比涡轮风扇发动机 -共同点 * 耗油率较低 * 可用于强调使用经济性的中大型旅客机和运输机 -何时选用涡轮螺旋桨发动机 * 当飞行速度较小时M数小于0.75 -何时选用高涵道比涡轮风扇发动机 * 当飞行速度较大时M数0.7 0.85 27 航空宇航学院 发动机类型的选择续 ?涡轮喷气与涡轮风扇发动机 -共同点 * 适用于超音速飞机 -涡轮风扇发动机的特点 * 涡轮风扇发动机在巡航状态下耗油率较低 * 加力状态时耗油率较高但加力比也比涡轮喷气 发动机大得多 * 迎风面积较大 * 许多亚音速巡航的超音速军用飞机歼击机和轰 炸机多选用小涵道比的加力式涡轮风扇发动机 28 航空宇航学院 发动机选择的步骤 1.回顾设计要求确定最大飞行高度H max 和速度V max 2.将H max 和V max 与发动机类型的适用范围作比较确 定发动机类型 3.确定所需推力T或功率P基本参数 4.选定发动机型号: 单台发动机推力T = T TO / N 查发动机手册或Jane's年鉴 29 航空宇航学院 5. 如果采用螺旋浆需确定: 是推进式重心之前还是拉力式重心之后 螺旋浆浆叶数目n P 参考统计数据 选择浆叶的功率系数P bl 参考统计数据 确定浆叶的直径 D P = { 4 P max /лn P P bl } 1/2 (ft) 机型 n P P bl (hp/ft 2 ) D P (ft) 单发 2 - 3 2.3 - 3.9 6 - 8. 双发 2 - 3 2.8 - 4.8 6.2 - 7. 8 6.确定安装位置机身上机翼上尾部 7.获取发动机有关外形尺寸和重量数据D max L W 发动机 8.画出安装在飞机的发动机外形轮廓草图 30 航空宇航学院 举例一AD600 ?确定H max =10 000 ft ,V max = 463 (km/h) ?确定发动机类型: 活塞式螺旋浆 ?所需功率P = 898 hp ?选定发动机型号: * 单台发动机功率P = 898 / 2 = 449 (hp) * 查发动机手册或Jane‘s年鉴候选者为 A AVCO-Lycoming TIGO-541-E1A Pmax = 425 hp (0-15000 ft); 重量700磅 B Teledye-Continental GtSIO-520-F Pmax = 435 hp (0 -11000 ft); 重量502磅 选择B 31 航空宇航学院 ?采用推进式螺旋浆浆叶数目n P =3浆叶的功率系数 选择为P bl =3.0确定浆叶的直径 D P = { 4 P max /лn P P bl } 1/2 = 7.8(ft) ?确定安装位置机翼上 ?获取发动机有关外形尺寸D max L ?发动机外形轮廓草图 32 航空宇航学院 举例二A-6 ?确定H max =40 000 ft ,V max = 883 (km/h) ?确定发动机类型: 涡轮风扇 ?所需推力T = 29,260 (lbs) ?选定发动机型号: 单台发动机功率T = 29260 / 2 = 4835 (lbs) 查发动机手册或Jane‘s年鉴候选者为 A. Pratt and Whitnry JT3D(TF33) Tmax = 18,000 (lbs); 重量4340磅 B. Pratt and Whitnry JTF22(F100) Tmax = 14,670 (lbs); 重量3033磅 C. General Electric F404 Tmax = 16,000 (lbs)--加力; 重量2000磅 33 航空宇航学院 选择C因为重量轻 ?确定安装位置机身上 ?外形尺寸D max L外形轮廓草图 34 航空宇航学院 一些小型涡轮喷气发动机数据 Engine Thrust [lb] SFC D Lengt h Weight ,lb Application Allied Signal //www.alliedsi gnal.com/ F109-GA-100 1330 0.39 31" 44" 439 Squalus, Phoenix FanJet TFE731 3500-5000 0.51-.40 40" 50" 734- 988 Cessna/Falcon/Lear/ Astra ATF3 5400 0.50 34" 103" 1120 Falcon, HU25 CFE 738 6000 0.37 48" 99" 1325 With GE. Falcon 2000 F124 6300 0.81 36" 70" 1100 Aero Vodochody L- 139 ALF502/507 6700-7800 0.43- 0.41 50" 65" 1350 Ch 600, Bae-146, AvroRJ 35 航空宇航学院 一些小型涡轮喷气发动机数据 Allison http://www.alli son.com/ AE3007 7200 0.39 43" 106" 1580 Citation-X, Global-Hawk General Electric CF700 4500 0.65 37" 54" 767 Falcon, Sabreliner CF/TF-34 9200 0.35 49" 103" 1670 Challenger 601/RJ,A-10 IHI (Japan) F-3 3700 0.70 22" 79" 458 Kawasaki T-4 TF-40 7300 0.74 30" 114" 1690 Mitsubishi T-2, F-1 36 航空宇航学院 一些小型涡轮喷气发动机数据 P&W/P&Wc/MTU http://www.pwc.ca/ JT15D 3000 0.55 28" 61" 630 Citation 5, Beechjet 400 PW500/530/545 3000-4500 0.44 27" 70" 765 Citation Bravo, Excel PW305/306 4500-6500 0.39 38" 81" 1040 Learjet 60 Williams/Rolls-Royce //www.rolls-royce.com/ F107/F112 700 N/A 12" 40" 146 ALCM, Tomahawk FJX-2 700 N/A 14" 41" 100 V-Jet 2 FJ44-1,2 1900-2300 0.456 21" 40" 445 Premier, Darkstar, SJ30