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航空燃氣渦輪發動機結構與設計(高等學校航空航天類專業教學指導委員會推薦教材) 版權信息
- ISBN：9787030685179
- 條形碼：9787030685179 ; 978-7-03-068517-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空燃氣渦輪發動機結構與設計(高等學校航空航天類專業教學指導委員會推薦教材) 內容簡介
本書以航空燃氣渦輪發動機（簡稱航空燃氣輪機）為主要對象，～7章是航空燃氣輪機“結構分析”，主要介紹航空燃氣輪機的分類與研制、結構組成、典型的總體結構方案和部件結構方案，此外對發動機安裝結構的分類和設計特點進行了介紹。本書更注重從正向設計的角度，論述航空燃氣輪機的工作環境和載荷條件、基本要求和基本原則、典型的總體結構布局和部件的結構特征。第8～12章是航空燃氣輪機“結構設計”基礎，主要介紹發動機結構設計的基本概念和基本方法、結構定量評估和優化方法、結構系統穩健設計和安全設計方法，很后以典型渦扇和渦槳發動機為例，論述了總體結構與力學特性的關系。 本書可作為飛行器動力工程專業、流體機械專業、熱能與動力工程等專業的本科生和航空宇航推進理論與工程等專業的研究生教材。本書還可作為航空燃氣輪機研究院、設計所、工廠，以及空軍、海軍和陸軍航空兵部隊等相關人員的培訓教材和參考書，也可供從事工業車輛、艦船用燃氣輪機、彈用發動機、火箭發動機等相關工作的技術人員參考。
航空燃氣渦輪發動機結構與設計(高等學校航空航天類專業教學指導委員會推薦教材) 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章航空燃氣輪機分類與研制001
1.1分類及使用003
1.2研制流程011
思考題024
第2章航空燃氣輪機組成及總體結構025
2.1結構組成025
2.2轉子結構系統028
2.3靜子結構系統039
2.4工作載荷環境065
思考題075
第3章風扇/壓氣機結構076
3.1概述076
3.2轉子結構081
3.3靜子結構105
3.4進氣、防冰與防外物打傷裝置113
3.5防喘振結構119
3.6壓氣機主要零件的材料及表面防護123
思考題129
第4章渦輪結構130
4.1概述130
4.2渦輪轉子133
4.3渦輪靜子150
4.4渦輪部件的冷卻162
4.5渦輪主要構件的材料及其表面防護171
思考題176
第5章燃燒室與加力燃燒室結構177
5.1主燃燒室177
5.2加力燃燒室203
思考題217
第6章安裝結構與排氣裝置218
6.1安裝結構218
6.2排氣裝置226
6.3反推力裝置240
思考題243
第7章附件傳動裝置與附屬系統244
7.1附件及附件傳動裝置244
7.2滑油系統257
7.3起動系統267
思考題271
第8章航空發動機結構設計力學基礎272
8.1基本概念與術語272
8.2結構特征與力學特性277
8.3轉子運動及動力學特性290
思考題308
第9章結構效率與結構優化309
9.1結構及結構效率309
9.2轉子結構效率評估與優化311
9.3承力結構效率評估與優化325
9.4整機結構效率評估與優化332
思考題342
第10章結構系統及轉子穩健設計343
10.1結構系統穩健性343
10.2轉子連接結構穩健設計349
10.3轉子系統動力學特性穩健設計378
思考題386
第11章結構系統安全設計387
11.1惡劣工況及結構安全性387
11.2支點動載荷控制及支承結構設計396
11.3轉子碰摩及防斷軸設計414
思考題424
第12章總體結構布局及力學特性分析425
12.1高涵道比渦扇發動機425
12.2高推重比渦扇發動機444
12.3高功重比渦槳發動機455
思考題467
參考文獻468
叢書序
前言
第1章航空燃氣輪機分類與研制001
1.1分類及使用003
1.2研制流程011
思考題024
第2章航空燃氣輪機組成及總體結構025
2.1結構組成025
2.2轉子結構系統028
2.3靜子結構系統039
2.4工作載荷環境065
思考題075
第3章風扇/壓氣機結構076
3.1概述076
3.2轉子結構081
3.3靜子結構105
3.4進氣、防冰與防外物打傷裝置113
3.5防喘振結構119
3.6壓氣機主要零件的材料及表面防護123
思考題129
第4章渦輪結構130
4.1概述130
4.2渦輪轉子133
4.3渦輪靜子150
4.4渦輪部件的冷卻162
4.5渦輪主要構件的材料及其表面防護171
思考題176
第5章燃燒室與加力燃燒室結構177
5.1主燃燒室177
5.2加力燃燒室203
思考題217
第6章安裝結構與排氣裝置218
6.1安裝結構218
6.2排氣裝置226
6.3反推力裝置240
思考題243
第7章附件傳動裝置與附屬系統244
7.1附件及附件傳動裝置244
7.2滑油系統257
7.3起動系統267
思考題271
第8章航空發動機結構設計力學基礎272
8.1基本概念與術語272
8.2結構特征與力學特性277
8.3轉子運動及動力學特性290
思考題308
第9章結構效率與結構優化309
9.1結構及結構效率309
9.2轉子結構效率評估與優化311
9.3承力結構效率評估與優化325
9.4整機結構效率評估與優化332
思考題342
第10章結構系統及轉子穩健設計343
10.1結構系統穩健性343
10.2轉子連接結構穩健設計349
10.3轉子系統動力學特性穩健設計378
思考題386
第11章結構系統安全設計387
11.1惡劣工況及結構安全性387
11.2支點動載荷控制及支承結構設計396
11.3轉子碰摩及防斷軸設計414
思考題424
第12章總體結構布局及力學特性分析425
12.1高涵道比渦扇發動機425
12.2高推重比渦扇發動機444
12.3高功重比渦槳發動機455
思考題467
參考文獻468
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航空燃氣渦輪發動機結構與設計(高等學校航空航天類專業教學指導委員會推薦教材) 節選
第1章航空燃氣輪機分類與研制 從世界**架完全可操控的動力飛機——萊特兄弟的“飛行者一號”首飛，到第二次世界大戰期間，絕大部分飛機所使用的發動機均為活塞式發動機。這種發動機工作時只能輸出軸功率，不能直接產生使飛機前進的推力或拉力，需采用空氣螺旋槳（簡稱螺旋槳）作為推進器。航空活塞式發動機在第二次世界大戰中得到了極大的發展，發動機*大的功率達到3500kW，發動機的耗油率大約為0.28kg/(kW h)，發動機的功率質量比（功率/質量）達到1.49kW/kg，成為戰斗機、轟炸機、運輸機等機種的動力裝置，在戰爭中發揮了重大作用。隨著飛機起飛質量和飛行速度的提高，活塞發動機的輸出功率和需要螺旋槳來產生推力的方式不能滿足飛行器對動力裝置的要求。一是飛行速度增大后，槳葉葉尖的相對速度逐漸趨近或超過聲速，激波產生的氣動損失，以及結構的影響使得螺旋槳無法高效、可靠地工作；二是高速飛行所需推進動力的功率大幅提高，由于活塞發動機的功率密度基本不變，其結構質量無法滿足飛機要求。因此，活塞發動機不能作為高速飛機，尤其是超聲速飛機的動力裝置，裝配活塞發動機的飛機飛行速度一般只有600~700km/h。 航空燃氣渦輪發動機的首次使用是在第二次世界大戰的后期，*先研制并投入使用的是燃氣渦輪噴氣發動機（簡稱渦噴發動機）。早在1936~1938年，德國和英國的航空發動機研究機構就開始了燃氣渦輪發動機的研制，但一直到第二次世界大戰的后期才開始裝配于戰斗機上。渦噴發動機一經問世，便迅速改變了航空界的面貌，使飛機性能發生了質的飛躍。 與活塞式發動機相比，渦噴發動機具有明顯的優勢。首先，發動機本身既是熱機又是推進器，直接產生使飛機前進的推力；其次，作為發動機工質的空氣，渦噴發動機的流量是活塞發動機的40倍以上；另外，由于渦噴發動機的轉換能量和產生推力是同時進行的，發動機可以連續做功并產生推力，綜上所述，渦噴發動機產生的巨大推力能使戰斗機飛行速度超過聲速，甚至可以達到聲速的兩倍。 20世紀40年代后期，英國、德國、蘇聯和美國先后研制成功了**代實用型渦噴發動機，并發展了多型以渦噴發動機為動力的戰斗機。在20世紀50年代初期的抗美援朝戰爭中，中國人民志愿軍空軍駕駛的米格15噴氣式戰斗機與美國空軍的F86噴氣式戰斗機進行了激烈的空中搏斗，這也是世界上首次出現大規模噴氣式戰斗機的空戰。 隨著渦輪噴氣發動機的不斷發展，逐步采用了各種先進技術，使發動機性能不斷提高，并應用于客機上。1952年世界上**款噴氣式客機英國“彗星”旅客機投入使用，與以活塞式發動機為動力裝置的客機相比，新一代客機具有載客量大、速度快、航程遠和具有增壓客艙等特點。1958年前后，美國的波音707、蘇聯的圖104大型噴氣式客機相繼投入使用。1969年英法合作研制飛行速度達2倍聲速的超聲速客機“協和”試飛并投入使用，表明世界航空業進入了噴氣時代。 渦噴發動機在航空發展史上具有重要地位，但是其經濟性較差，因此限制了其航程和推力的進一步加大。這是因為渦噴發動機的推力是由高速噴出燃氣得到的，噴氣速度越高，推力也就越大。高速、高溫的燃氣由尾噴管排出發動機，使大量的能量排入大氣，因此，渦噴發動機的耗油率較高，一般為0.80~0.95 kg/（daN h）。為適應飛機提高起飛推力和加大航程的需要，必須研制具有更大推力和更低耗油率的動力裝置，燃氣渦輪風扇發動機（簡稱渦扇發動機）正是一種能產生較大推力且耗油率較低的發動機。根據渦扇發動機熱力循環特點，渦扇發動機分為兩種類型： 一是適合軍用戰斗機高速機動飛行、具有較小迎風面積的小涵道比、高推重比渦扇發動機；一是適合客機使用的低速飛行的大推力、低油耗的高涵道比渦扇發動機。 20世紀70~80年代，是航空燃氣輪機高速發展的時代。隨著新一代戰斗機發展規劃的提出，各航空發動機設計集團，通過大幅度提高增壓比、渦輪前溫度等熱力循環參數，并采用多種先進技術和優良結構設計，制造出帶加力燃燒室的高推重比（7～8）渦扇發動機，使得以F15為代表的第三代高性能戰斗機投入服役。同時涌現出多種高性能航空發動機型號，如美國普拉特 惠特尼集團公司（Pratt & Whitney Company，簡稱普惠公司）的F100、美國通用電氣航空集團（General Electric Aviation Group， GE，簡稱通用公司）的F110和F404、英國羅爾斯 羅伊斯公司（Rolls Royce Public Limited Company，簡稱羅 羅公司）的RB199、蘇聯的RD33和AL31F、法國斯奈克瑪公司的M53等，均已成為現役主力戰斗機的動力裝置，使得軍用戰斗機性能有了突飛猛進的提升，在一定程度上改變了戰爭形態，這一點在1991年的海灣戰爭中表現得尤為突出。 20世紀末至21世紀初，各國要求新一代先進戰術戰斗機具有不開加力超聲速巡航、短距起落和非常規機動能力，且可靠性高、維修性好等特點，與之配套的新一代高推重比渦扇發動機進入全面工程研制階段，并陸續投入使用。美國普惠公司的F119、英國等歐洲國家聯合研制的EJ200、法國的M882和俄羅斯的AL41F為其中的典型機型。 在20世紀70年代末，隨著美國的大型遠程戰略運輸機計劃提出，以及世界航空運輸業對寬體遠程客機的需求，高循環參數、低油耗的高涵道比渦扇發動機得以誕生并迅速發展，代表型號有美國普惠公司的JT9D和PW4000、美國通用公司的CF6、通用公司與斯奈克瑪公司合作研制的CFM56、英國羅 羅公司的RB211等。超大推力高涵道比渦扇發動機的誕生，極大地提高了運輸機和客機的航程和運載能力，有效地促進了各國之間貿易往來和全球化趨勢的發展。 隨著人類環境保護意識的增強，對以航空煤油為燃料的燃氣渦輪發動機的發展提出了新的要求。要求發動機的推力更大、油耗更低、可靠性更高、污染更少、噪聲更小，這推進了航空發動機設計技術的提高，將高涵道比渦扇發動機的綜合性能提高到了一個新的水平。美國通用公司的GE90和GEnx、美國普惠公司的PW1000G、英國羅 羅公司的Trent系列、通用公司與斯奈克瑪公司合作研制的LEAP是主要代表系列型號。 綜上，航空發動機是為航空器提供飛行所需推力（或拉力）的熱力機械，主要包括活塞式發動機、燃氣渦輪發動機、沖壓噴氣發動機、脈沖噴氣發動機等[1]。未來，隨著社會生活的不斷發展，航空器將對航空發動機提出更高的性能、壽命和可靠性要求，將會有越來越多的新型發動機投入使用，航空發動機的應用領域也將更加寬廣，將會在社會生產生活中發揮更大的作用。 1.1分類及使用 航空燃氣渦輪發動機分為4種基本類型，即渦輪噴氣發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和渦輪風扇發動機。20世紀80年代后期又發展了一種介于渦輪螺旋槳發動機與渦輪風扇發動機之間的螺旋槳風扇發動機（簡稱為槳扇發動機）。這些發動機均包含壓氣機、燃燒室以及驅動壓氣機的燃氣渦輪這三大部件，統稱為航空燃氣渦輪發動機，簡稱航空燃氣輪機。 在航空燃氣輪機工作時，進入發動機的空氣經壓氣機壓縮增壓后，流入燃燒室并與噴入的航空煤油混合后燃燒，燃料中的化學能轉化為熱能，形成高溫、高壓燃氣，再進入燃氣渦輪中膨脹做功，驅動渦輪高速旋轉并輸出驅動壓氣機及發動機附件所需的功率。經過燃氣渦輪的燃氣，仍具有一定壓力和溫度。所有的燃氣輪機的動力及產生的推力或輸出功率都來源于這股具有高溫、高壓的燃氣，根據對這股燃氣能量的不同利用方式，衍生出多種不同類型的發動機。 壓氣機、燃燒室和渦輪所組成的核心機（圖1-1），用來提供高壓、高溫燃氣，因此在渦輪軸發動機和渦輪螺旋槳發動機中又稱為燃氣發生器。高性能燃氣輪機所需的總增壓比較高，在高增壓比的壓氣機中，為了獲得大的穩定工作范圍，常采用雙轉子核心機，將壓氣機分為前后串聯的兩部分，分別由兩組轉速不同的渦輪驅動，壓氣機中位于前端的部分，空氣壓力較低，稱為低壓壓氣機；位于后端的部分稱為高壓壓氣機。相應的渦輪也分為低壓渦輪和高壓渦輪。這種結構形式稱為雙轉子結構，是一種常見的航空燃氣輪機結構形式。 圖1-1各種燃氣渦輪發動機與核心機的關系 如圖1-1（b）所示，在燃氣發生器后安裝一個尾噴管，由燃氣發生器出來的燃氣在尾噴管中膨脹，直接高速排出，這種發動機稱為渦輪噴氣發動機，簡稱渦噴發動機。 如圖1-1（c）所示，如果在核心機后出來的燃氣流入另一渦輪中繼續膨脹做功，然后再由尾噴管排出。這個用于提供軸功率輸出的渦輪，一般稱為“動力渦輪”。大多數發動機中，動力渦輪與燃氣發生器的渦輪沒有機械連接，它們各自工作于不同的轉速，但也有少數發動機的動力渦輪與燃氣發生器的渦輪連接在一起，如WJ5、WJ6發動機。如果動力渦輪驅動減速器并帶動螺旋槳旋轉，就成為渦輪螺旋槳發動機，簡稱渦槳發動機。如果動力渦輪直接驅動或通過減速比較小的減速器驅動直升機的主旋翼，就是渦輪軸發動機，簡稱渦軸發動機，如圖1-1（d）所示。需要指出，在渦軸和渦槳發動機中，動力渦輪用于驅動螺旋槳或旋翼，并不驅動壓氣機做功，也稱為“自由渦輪”。如果“動力渦輪”用來驅動燃氣發生器前側的風扇轉子，這就是渦輪風扇發動機，簡稱渦扇發動機，如圖1-1（e）所示，渦扇發動機中驅動風扇轉子的“動力渦輪”一般稱為“低壓渦輪”。 由此可見，從工作原理上看，同一個核心機，可以配上不同的低壓部件，成為不同類型的發動機。因此，如果能發展出一臺具有先進水平的核心機，即可順勢研發多種高性能的發動機；同時還可將這種性能先進的核心機按照相似原理放大或縮小，成為不同流量的核心機，衍生發展出不同推力/功率量級的發動機[2]。因此，發展高性能的核心機，是現代高性能航空燃氣輪機系列發展、滿足不同飛機設計要求的一種經濟、可行的有效措施。 1.1.1渦輪噴氣發動機 渦輪噴氣發動機（簡稱渦噴發動機）是20世紀50年代應用*廣泛的航空燃氣輪機，當時不僅是高速戰斗機的**動力，而且也被轟炸機、客機采用。圖1-2為帶有加力燃燒室的雙轉子渦噴發動機簡圖。由于燃氣從渦噴發動機的尾噴管高速噴出，在得到推力的同時，大量燃料燃燒釋放的能量以燃氣動能與熱能的形式排出發動機，能量損失較大，因此耗油率較高。為了短時間內提高渦噴發動機的推力，可在渦輪與尾噴管之間安裝加力燃燒室，在需要增加推力時向燃氣發生器后的燃氣中繼續噴入燃油，進一步充分燃燒以提高燃氣從尾噴管排出的速度，達到增加推力的目的。此時的推力稱為加力狀態的推力，簡稱加力推力，由于這是發動機的*大推力狀態，因此也稱為*大推力。加力狀態時，由于排出的燃氣溫度與速度均大大提高，因而耗油率比不開加力時有大幅度的增加。在裝有加力燃燒室的發動機中，尾噴管的出口面積應做成可調節的，以保證加力狀態下，氣流穩定向后流動。 圖1-2帶加力燃燒室的雙轉子渦噴發動機簡圖1.低壓壓氣機；2.高壓壓氣機；3.燃燒室；4.高壓渦輪；5.低壓渦輪；6.加力燃燒室；7.可調噴口 1.1.2渦輪螺旋槳發動機 在渦輪螺旋槳發動機（簡稱渦槳發動機）中，核心機排出的燃氣能量，絕大部分在動力渦輪中膨脹做功，轉化為軸功率輸出，然后通過減速器將轉速降為1000～2000r/min后，再驅動螺旋槳；燃氣中剩下的很少能量在尾噴管中膨脹，產生小部分推力。因此，渦槳發動機除輸出軸功率外，還輸出少量推力。渦槳發動機的螺旋槳直徑較大，限制了飛行速度，一般用于Ma=0.5～0.7的飛機上。但是，由于它的排氣能量損失小，推進效率高，所以耗油率低。20世紀50年代研制的旅客機、運輸機上采用渦槳發動機較多。由于推力和噪聲的問題，其部分市場被渦扇發動機搶占。但是在對起飛特性和耗油率有較高要求的旅客機和運輸機上，先進的渦槳發動機依然具有重要的地位和作用。 圖1-3為我國生產的WJ5發動機結構簡圖，裝配于國產M60型支線客機上。 如圖1-4所示，至今仍
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