小编： 中国航空发动机发展现状研究报告_工学_高等教育_教育专区
中国航空发动机发展现状研究报告_工学_高等教育_教育专区。机械制造基础课程设计
中国航空发动机及其发展现状的研究报告 所谓航空发动机，顾名思义就是为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏， 被誉为“工业之花” ，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。而航空发动机技术则被誉 为现代工业“皇冠上的明珠”，它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。目前，世 界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美、英、法、俄等少数几个国家，技术门槛 很高。 航空发动机的分类 航空发动机 吸气式发动 机 火箭喷气发 动机 活塞式发动 机 燃气涡轮发 动机 冲压喷气发 动机 脉动喷气发 动机 化学火箭发 动机 核火箭发动 机 电火箭发动 机 涡轮喷气发 动机 涡轮风扇发 动机 涡轮螺旋桨 发动机 涡轮轴发动 机 螺桨风扇发 动机 液体火箭发 动机 固体火箭发 动机 高性能军用航空发动机的主要指标 评判航空发动机的优劣有很多指标，从不同角度看，最常用的有推力、推重比、发动机效 率和燃油消耗率，还有加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命，还可以加上发 动机噪声、 污染、 维修性、 保障性以及几何尺寸、重量和价格等。对于军用航空发动机而言， 推重比、可靠性、工作稳定性和燃油消耗率是最重要的 4 个指标。 所谓推重比就是发动机的推力与自身重量之比，这是军用航空发动机最重要的性能指标， 因为它直接影响到飞机的最大飞行速度、升限、任务载荷和机动性。高推重比是航空发动机 研制不懈追求的目标，是最常见、最重要的指标。第五代战斗机发动机的推重比超过了 10， 使飞机具备了超音速巡航能力和超机动能力。目前公认推重比为 10 一级的航空发动机有： 欧洲合研罗罗公司的 EJ200 中推涡扇发动机、 法国 M88 系列中推涡扇发动机、 俄罗斯 AL-41F 大推力涡扇发动机以及美国的 F119 和 F120 系列发动机。但是推重比实际能达到 10 的发动 机只有美国的 F119 和 F120 系列。 高可靠性是决定航空发动机成败的关键指标。 所谓可靠性其实就是装备在规定的寿命期内 尽可能少出故障的品质。如果地面、水面装备的动力装置出现故障，可以降低速度返回基地 或者停驶来排除故障。而航空发动机一旦在数千、上万米高空出现故障，轻则导致飞机无法 完成任务，重则会造成机毁人亡的重大事故。 通俗地讲， 航空发动机的稳定性就是发动机在各种复杂外界条件下都能保证正常工作、 不 1 停车的能力。它主要受到发动机压气机的气动稳定性的影响，也与涡轮、喷管和燃油控制器 等部件有关。飞机高度、速度的快速变化，以及令人眼花缭乱的机动，使得航空发动机的进 气条件非常复杂，如果此时发生停车则后果不堪设想，因此，航空发动机良好的稳定性就显 得异常重要。 所谓燃油消耗率就是航空发动机产生一公斤推力在一个小时内消耗燃油的重量。 很容易理 解民航公司会关心航空发动机燃油消耗率， 实际上各国军队同样也关心燃油消耗率， 因为低 燃油消耗率直接关系到飞机的作战效能，即燃油消耗率低就意味着在同等情况下飞得更远， 或者装载的任务载荷更多。 各种航空发动机的原理图 2 航空发动机的工作原理 以活塞式发动机为例进行说明。 航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合， 在密闭的容器 （气缸）内燃烧，膨胀作功的机械。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉） 力。所以，作为飞机的动力装置时，发动机与螺旋桨是不能分割的。 （一）活塞式发动机的主要组成 主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。气缸是混合气 （汽油和空气）进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动。气缸头上装有点燃混合气的 电火花塞（俗称电嘴） ，以及进、排气门。发动机工作时气缸温度很高，所以气缸外壁上有 许多散热片，用以扩大散热面积。气缸在发动机壳体（机匣）上的排列形式多为星形或 V 3 形。常见的星形发动机有 5 个、7 个、9 个、14 个、18 个或 24 个气缸不等。在单缸容积相 同的情况下，气缸数目越多发动机功率越大。活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动，并通 过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。连杆用来连接活塞和曲轴。 曲轴是发动机输出 功率的部件。曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动而产生拉力。除此而外，曲轴还要带 动一些附件（如各种油泵、发电机等） 。气门机构用来控制进气门、排气门定时打开和关闭。 （二）活塞式发动机的工作原理 活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、 最近的位置叫下死点、 从上死点到下死点的 距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环， 活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。 发动机开始工作时，首先进入“进气冲程” ，气缸头上的进气门打开，排气门关闭，活塞 从上死点向下滑动到下死点为止， 气缸内的容积逐渐增大， 气压降低——低于外面的大气压。 于是新鲜的汽油和空气的混合气体， 通过打开的进气门被吸入气缸内。 混合气体中汽油和空 气的比例，一般是 1：15 即燃烧一公斤的汽油需要 15 公斤的空气。 进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程” 。这时曲轴靠惯性作用继续旋转，把 活塞由下死点向上推动。这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐减少，混合 气体受到活塞的强烈压缩。 当活塞运动到上死点时， 混合气体被压缩在上死点和气缸头之间 的小空间内。这个小空间叫作“燃烧室” 。这时混合气体的压强加到十个大气压。温度也增 加到摄氏 400 度左右。 压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量， 使限制在燃烧室这个 小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的做功能力。 当活塞处于下死点时， 气缸内的容积最大， 在上死点时容积最小 （后者也是燃烧室的容积） 。 混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量。这个比值叫“压缩比” 。活塞航 空发动机的压缩比大约是 5 到 8，压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功率也 就越大。 压缩冲程之后是“工作冲程” ，也是第三个冲程。在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时， 气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约 0.015 秒；但是速度很快，大约达到每秒 30 米。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达 60 到 75 个 大气压，燃烧气体的温度到摄氏 2000 到 2500 度。燃烧时，局部温度可能达到三、四千度， 燃气加到活塞上的冲击力可达 15 吨。活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动， 推动连杆也门下跑，连杆便带动曲轴转起来了。 这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程。 其余三个冲程都是为这个冲程作准备 的。 第四个冲程是“排气冲程” 。工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死 点向上运动。 这时进气门仍旧关闭， 而排气门打开， 燃烧后的废气便通过排气门向外排出。当 活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭，进气门打开，活塞又由上 死点下行，开始了新的一次循环。 从进气冲程吸入新鲜混合气体起， 到排气冲程排出废气止， 汽油的热能通过燃烧转化为推动 4 活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环” 。这是一 种周 而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫做“热循环” 。 （三）活塞式航空发动机的辅助工作系统 发动机除主要部件外，还须有若干辅助系统与之配合才能工作。主要有进气系统（为了改善 高空性能， 在进气系统内常装有增压器， 其功用是增大进气压力） 、 燃油系统、点火系统（主 要包括高电压磁电机、输电线、火花塞） 、起动系统（一般为电动起动机） 、散热系统和润滑 系统等。 研制高性能航空发动机的四大难点 （一）研制高性能的航空发动机本身就是一项难度极大的系统工程。这种难度首先体现在， 高性能的航空发动机要求通过不断结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要 求。 （二）研制航空发动机难在，超过极限的参数要求最终都要落实到发展尖端的材料、制造工 艺上。 能在高温、 高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最 基本要求。 为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作， 涡轮通常都要采取复杂 的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部 释放出来的冷空气实现的。 需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空 工业的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。 （三） 航空发动机的制造与装配是现代技术和传统技艺的集成。 为了保证装配完成后达到规 定的结构强度、空气动力性能等指标，航空发动机对装配的要求非常高，特别是转子结构的 装配。由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂，因此装配工艺非常 繁复， 加上发动机装配还主要采用手工方式， 装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人 的操作经验和熟练程度。 （四）研制航空发动机还难在航空发动机的技术本身不成熟，现在还是实验性技术。航空发 动机的研制和发展是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多 学科的综合性系统工程，航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性是如此复杂，以至于 到目前为止，仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠实际发动机试验。 中国航空发动机研制较世界先进差距 著名航水平的空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主 要存在五点较大差距：1.基础研究薄弱，技术储备不足，试验设施不健全；2.国家经济相对 落后，研制经费严重不足；3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足；4.基本建设战线 过长、摊子过大、力量过散、低水平重复；5.管理模式相对落后，缺乏科学民主的决策机制 和稳定、权威的中长期发展规划。 此外除了以上差距外，还存在以下问题：1.在航空发动机的发展历程中，缺少像钱学森院 士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程，大师级领军人物所起的作用 至关重要； 2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响， 但是并没有很好地领会他们的设计理 念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下，利用系统的观念把复杂问题简单 化，将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、 综合技术水平较高的航空发动机；3.我国历来重学术而轻技术，加上我国当前教育体制、模 式的限制， 使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。 航空发 动机行业的一位厂长曾说：他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的 技术工人。4. 我国航空发动机研制的困难和性能差距主要体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料 和工艺两个方面。 5 我国航空发动机发展计划及前景 2010 年 11 月 16 日，珠海航展上展出的太行发动机 进入新世纪，中国航空发动机领域既面临严峻的挑战，又有着良好的历史性发展机遇。首 先，经过 60 年的建设，中国航空动力研究已具备一定的技术和物质基础，形成了较强的试 验能力和制造加工能力，培养锻炼了一支忠于祖国的高素质科技队伍。 其次，我国经济总量已经位居世界第二，工业基础有了很大增强，使得航空动力行业能够得 到更多的研发经费和基础技术支持。 最重要的是，加快航空动力发展，根治飞机“心脏病”，已经引起党中央、国务院领导的 高度重视， 航空动力已经列入国家高科技重点工程。 相关专家学者还在不断呼吁将航空发动 机进一步列为国家重大专项。 2009 年 1 月，中航商用飞机发动机有限责任公司在上海成立，它是我国大型客机发动机 项目的责任主体和总承制单位。同年 7 月，中航工业振兴航空发动机委员会成立，并同时组 建航空发动机研究院。 明确提出了要完善我国航空发动机自主研发体系， 彻底实现从测绘仿 制到自主设计生产的战略转变，从而形成具有自主知识产权的大、中、小、微航空发动机和 燃气轮机产品系列。同时，建立健全航空发动机和燃气轮机研发、生产、营销和维修保障体 系，优化航空发动机产业结构，完善军民结合的科研生产体制，打造面向市场、主业突出、 竞争力强的航空发动机产业。 2010 年，中航工业北京航空产业园发动机产业基地一期工程，开工投入建设。北京航空 发动机产业基地规划投资近 70 亿元， 一期建设用地 750 余亩， 规划建筑面积约 27 万平方米。 建成以后， 北京航空发动机产业基地将具有世界一流水平的航空发动机及核心零部件研发和 制造能力，将成为我国军用、民用航空发动机核心产业基地。 不久前，中航工业总经理林左鸣被问及中国航空工业还有多久才能进入到世界第一方阵时， 他说：“我不太赞同再等 20 年！只要按照现在的发展势头，5 年就会有一个台阶。中航工 业确定用 5 年时间在‘十二五’期间打一个航空发动机的翻身仗。” 2014/4/7 6
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