航空发动机原理

2简单叙述燃气涡轮喷气发动机的组成以及工作原理:燃气涡轮发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管组成。工作原理：以空气为工作介质。进气道将所需的外界空气以最小的流动损失顺利地引入发动机，压气机通过高速旋转的叶片对空气做功压缩空气，提高空气的压力，高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压的燃气，高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀，将燃气的部分焓转变为机械能，推动涡轮旋转，去带动压气机然后燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气速度，使燃气以较高的速度喷出，产生推力。

3燃气涡轮发动机分为哪几种？它们在结构以及工作原理上有什么明显区别

燃气涡轮发动机分为涡喷、涡扇、涡桨、涡轴四种。

涡轮螺旋桨发动机由燃气轮机和螺旋桨组成，他们之间还安排了一个减速器。工作原理：空气通过排气管进入压气机；压气机以高速旋转的叶片对空气做功压缩空气，提高空气压力；高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压燃气；高温高压燃气在涡轮内膨胀，推动涡轮旋转输出功去带动压气机和螺旋桨，大量空气流过旋转的螺旋桨，其速度有一定的增加，使螺旋桨产生相当大的拉力；气体流过发动机，产生反作用力。 如果燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡轮而不产生推力，则燃气涡轮发动机成为涡轮轴发动机，动力涡轮轴上的功率可以用来带动直升机的旋翼。

涡轮风扇发动机是由进气道、风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管组成。

4什么是EGT ，为什么它是一个非常重要的监控参数:EGT 是发动机排气温度。 原因：1、

EGT 的高低反映了发动机中最重要、最关键的参数涡轮前总温 的高低，EGT 高，则 就

高：EGT 超限，则 超限。2、EGT 的变化反映了发动机性能的变化；3、EGT 的变化反

应发动机的故障。

8进气道的功用以及分类：功用：（1）在各种状态下, 将足够量的空气, 以最小的流动损失, 顺利地引入压气机并在压气机进口形成均匀的流场以避免压气机叶片的振动和压气机失速;（2）当压气机进口处气流马赫数小于飞行马赫数时, 通过冲压压缩空气, 提高空气的压力。 分类：（1）亚音速进气道：主要用于民用航空发动机，而且为单状态飞机，大多采用扩张形、几何不可调的亚音速进气道。（2）超音速进气道：分为内压式、外压式和混合式三种 。

11. 离心式压气机由哪些部件组成，各部件是如何工作的？

答：离心式压气机由导流器, 叶轮, 扩压器, 导气管等部分组成，叶轮和扩压器是其中两个主要部件。导流器：安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的 使气流以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失，空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。叶轮：是高速旋转的部件，叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力。扩压器：位于叶轮的出口处，其通道是扩张形的，空气在流过它时将动能转变为压力位能， 速度下降, 压力和温度都上升 。导气管 ：使气流变为轴向, 将空气引入燃烧室 。

12. 离心式压气机是如何实现增压的:叶轮中的扩散增压和离心增压，扩压器增压。气体增压主要靠离心增压： 气体流过叶轮，气体随叶轮作圆周运动，气体微团受惯性离心力作用，气体微团所在位置半径越大，圆周速度越大，气体微团所受离心力也越大，因此，叶轮外径处的压力远比内径处的压力高。

13. 离心式压气机的优缺点：离心式压气机的主要优点：单级增压比高：一级的增压比可达4:1－5:1, 甚至更高；同时离心式压气机稳定的工作范围宽；结构简单可靠；重量轻, 所需要的起动功率小。

*3T *3T *3T

主要缺点：流动损失大, 尤其是级间损失更大, 不适于用多级, 最多两级；效率较低, 一般离心式压气机的效率最高只有83％－85％, 甚至不到80％；单位面积的流通能力低, 故迎风面积大, 阻力大。

14. 轴流式压气机由哪些部件组成的，压气机一级是如何定义的并简单叙述它的优缺点

由高速旋转的转子和与机匣固定在一起不动的静子组成，转子的功用是对空气作功, 压缩空气, 提高空气的压力，静子使空气扩压，继续提高空气的压力

一个工作叶轮加上一个位于其后的整流器就形成轴流式压气机的一级

优点：可以用增加级数的方法提高压气机的总增压比, 以提高压气机的效率；与离心式压气机相比, 轴流式压气机单位面积的流通能力高, 所以迎风面积小, 阻力小。

缺点：单级增压比低,结构复杂。

15. 什么是基元级及基元级叶栅：设想用与轴同心, 半径分别为压气机平均半径r m和r m+dr 的两个圆柱面与单级叶片作圆周截取得出某级的环形叶栅，高度为dr的环形叶栅叫环形基元级（也叫基元级）。

17. 什么是进气导向器:位于第一级工作叶轮前的一排不动叶片，功用是引导气流的流动方向，产生预旋，使气流以合适的方向流入第一级工作叶轮。

19. 攻角特性定义及曲线：在一定的来流马赫数和一定的叶栅情况下, 气流流过平面叶栅时, 气流折转角Δβ和损失系数ω与攻角i之间的关系称为平面叶栅的正常特性, 又叫攻角特性。曲线：

20. 基元级增压原理:轴流式压气机主要是利用扩散增压的原理提高空气压力，基元级由工作叶栅和整流器叶栅通道组成，两处叶栅通道均是扩张型。当空气流过工作叶轮叶栅通道，高速旋转的叶片对空气做功使气流绝对速度增大，由于叶片间的通道是扩张型的，气流的相对速度降低，相对运动动能转变为压力位能和内能，使气流的压力和温度上升，对气流做功，使气流总温和总压提高，当气流留过整流器叶栅通道后，整流环叶片间的通道也是扩张型的，气流绝对速度降低，绝对运动动能转变为压力位能和内能，气流压力进一步提高，温度继续上升，由于整流叶栅通道内是绝对流动，气流总压略有下降，总温不变。叶轮内绝对速度增大，相对速度减小，总压静压和总温静温都提高，整流器内绝对速度减小，静压静温提高，总压下降，总温不变。

21. 多级轴流式压气机流程形式及机匣结构形式

答：流程形式: 在不考虑引气情况下，流过压气机出口的空气流量q m2等于压气机进气口的流量q m1，即ρ1A1V1=ρ2A2V2;在压缩过程中随着压力的提高，气流的密度也逐渐提高，即ρ2>ρ1，为了满足连续方程，原则上可以采用以下三种方法A2=A1 ,V1 >V2 ;A2 V2一般采用第三种方法，使流速下降，面积减小

机匣结构形式：等外径、等内径、等中径。

22. 转速对增压比、效率、功、功率影响:压气机的增压比与转速n的增大而迅速增加；效率随转速的变化;功与转速是二次方的关系；功率与转速的关系是三次方的关系。

23. 旋转失速机理：当压气机空气流量减少而使动叶攻角增大到临界攻角附近时, 动叶中的某几个叶片可能首先发生分离；出现分离区的叶片前面出现了明显的气流堵塞现象, 受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转, 从而引起上面叶片攻角增大并分离,下面的叶片攻角减小，解除分离；气流分离区相对于叶片运动反方向传播；分离区移动速度小于叶片运动速度，所以从绝对坐标系上看，旋转失速区（分离区）以较低的转速与动叶做同方向运动

24. 喘振根本原因及机理过程：喘振的根本原因:由于攻角过大, 使气流在叶背处发生分离而且这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道。

机理过程：

25. 三种防喘措施机理：防喘措施有三种:压气机中间级放气;可调导向叶片和整流叶片; 双转子或三转子.（1）压气机中间级放气防喘原理：通过改变流量来改变工作叶轮进口处的绝对速度的大小，从而改变其相对速度的大小和方向, 改变攻角, 达到防喘的目的；

（2）可调导向器叶片和整流叶片防喘原理：如果进气导向器叶片安装角γ随着流过压气机空气流量的变化随之而变化相应地改变, 从而使β1保持不变,攻角α也就保持不变, 以达到防喘目的，简单来说：通过改变进口导向器或静叶安装角，改变预选量c1u，改变c1的大小和方向，进而影响w，使w大小变化，而方向保持不变。（3）双转子或三转子防喘原理：通过改变转速, 即改变压气机动叶的切线速度的办法来改变工作叶轮进口处的相对速度的方向, 以减小攻角, 达到防喘的目的，或者说是通过改变转速的办法来改变流量系数使其接近设计值, 达到防喘的目的。

26. 转子的基本结构型式优缺点：转子的基本结构形式有三种：鼓式、盘式、鼓盘式。鼓式转子的特点是结构简单，零件数目少，加工方便，有较强的抗弯刚度，但是由于受到强度的限制，目前在实际中应用得不广泛。盘式转子的特点是：强度好，但是抗弯刚性差，并容易发生震动。鼓盘式转子兼有鼓式转子抗弯性好和盘式转子的强度高的优点。

29. 鼓盘式转子连接方案：不可拆卸式：整体结构型式的转子或采用焊接或用径向销钉将各级连接在一起的；可拆卸式：用长螺栓或短螺栓将各级连接在一起。

30. 风扇静子机匣组成：前段前部为风扇包容机匣，后部安装风扇出口静子叶片后段为带有支板的风扇承力机匣。

31. 压气机机匣组成：对于涡喷发动机（单、双转子）:进气机匣；中机匣（对于双转子，可分为低压压气机机匣、高压压气机机匣，中介机匣）；后机匣

对于双转子涡扇发动机:进气机匣；风扇静子机匣；低压压气机机匣、高压压气机机匣、中介机匣；后机匣

34. 风扇承力机匣组成作用：（1）上面装着发动机的主安装节，传递风扇轴承及高压压气机前轴承的力（2）有些发动机的附件传动机匣也安装在它上面

36. 整体式分半式机匣优缺点：整体式机匣优点：重量轻，加工量少，周向刚性均匀

缺点：压气机的多次拆卸转子会影响转子的平衡性

分半式机匣的优点：（1）刚性好，装、拆机匣时不需分解转子, 因而不会破坏转子的平衡（2）装配维修性好。缺点：（1）机匣壁面较厚：为保证纵向和轴向结合面的连接刚性及密封性，需要采用较厚的安装边及较多的螺栓（2）机匣的周向刚性较差：带有加强环, 造成分半式机匣重量较大。目前压气机中机匣多采用分半式的机匣

37. 压气机叶片榫头分为哪几种，简述其各自优缺点

答:销钉式榫头:这种榫头不用专用设备加工，对单件生产或试验用的发动机有一定的优越性可以利用改变销子的直径或销子和销孔的配合间隙来改变叶片的自振频率，而不需要改变轮盘和叶片;这种榫头承载能力有限，尺寸和重量大，因而，现代发动机上很少采用.

燕尾形榫头:优点,榫头的尺寸较小；重量较轻；能承受较大的负荷，加工方便，生产率高,广泛应用于压气机上,其缺点是榫槽内有较大的应力集中

枞树形榫头:呈楔形，轮缘部分呈倒楔形，从承受拉伸应力的角度看接近等强度，因而这种榫头重量轻，但是它靠多对榫齿传力，应力集中严重，工艺性较差。

39. 燃烧室基本性能要求：点火可靠；燃烧要稳定；燃烧完全；总压损失小；燃烧室的尺寸要求；出口温度分布要满足要求；燃烧产物对大气的污染要小；寿命长。

43. 燃烧室出口温度分布有两个方面的要求

答：（1）、在燃烧室出口环形通道上温度分布要尽可能均匀；（2）、在径向上: 靠近涡轮叶片叶尖和叶根处的温度应低一些, 而在距叶尖大约三分之一处温度最高。

46. 实现稳定燃烧条件需要降低流速以及提高火焰传播速度，如何实现这些条件、分股进气的作用

答：降低空气流速：扩散器、旋流器、分股进气；提高火焰传播速度：燃油迅速汽化、组成余气系数合适的混合气、增大紊流强度的方法。

分股进气的作用：降低空气的流速；进行补充燃烧；掺混冷却以满足涡轮对温度的要求；冷却火焰筒的外壁, 同时形成气膜冷却保护火焰筒。

47. 熄火的分类、根本原因、熄火特性定义：熄火分为贫油和富油熄火；熄火的根本原因：余气系数超出了稳定燃烧的范围。熄火特性：稳定燃烧的余气系数范围Δα 随进气速度V2的变化规律。

52. 旋流器的作用：使高温燃气在火焰筒头部产住低速回流区；稳定火焰，以及使空气与燃油很好掺合，点燃后续混气，提高燃烧效率。

54. 涡轮的分类：根据气流流动方向划分：轴流式，多用于大功率发动机；径流式，涡轴发动机使用较多。轴流式涡轮类型：冲击式，工作叶片的前缘和后缘较薄, 而中间较厚；反力式，前缘较厚, 而后缘较薄；冲击反力式。

56. 为什么一级涡轮可以带动5－7级或更多级压气机:涡轮叶片比压气机叶片弯曲程度大，燃气膨胀程度大。由于涡轮中的气流速度比压气机大。涡轮叶片比压气机的叶片要厚。

58. 燃气流量随转速n的变化规律：燃气流量随转速n的变化规律：当转速n上升时, 通过涡轮导向器的燃气流量增大。但开始增加的快, 后来增加的慢。

61. 盘和轴的联接方式：单级涡轮的盘式转子：盘轴间采用圆柱面定心，紧度配合，径向销钉连接，剪切传力。单级高压涡轮可拆卸转子采用短螺栓连接机构。多级涡轮采用轴向长螺栓连接方案

62. 导向器组成、功用：导向器是由导向器内、外环和导向叶片所组成。

导向器的功用：将气体的部分热能转变为动能，并满足工作轮所要求的进口气流方向。64. 带冠叶片的优缺点？

叶冠的作用：降低二次损失，提高涡轮效率，相邻叶片的叶冠抵紧后可以减小叶片的扭曲变形和弯曲变形，增强叶片的刚性，提高叶片的振动频率：当叶片产生振动时，相邻叶冠间产生摩擦能可以吸收振动量。

缺点是叶冠较重：增加叶身的离心拉伸应力，也增加了轮盘的负荷; 叶冠和叶身转接处易造成应力集中

65. 涡轮叶片采用什么类型榫头，它的优缺点是什么？

答：枞树形榫头连接在现代航空燃气涡轮中得到最广泛使用，

枞树形榫头优点：等强度设计使榫头的重量最轻；榫头周向只寸较小，在轮盘上可以安装较多的叶片；这种榫头有间隙地插入榫槽内，允许轮缘受热后能自由膨胀，因而减小了连接处的热应力；低转速时叶片可以在榫槽内有一定相互移动，起到一些振动阻尼作用，并可自动定心，减小离心力引起的附加弯矩；可以加大叶片榫头和轮盘榫槽非支承表面间的间隙，并通入冷却空气，对榫头和轮缘进行冷却；装拆及更换叶片方便

枞树形榫头缺点：由于榫齿圆角半径小，应力集中现象严重，容易出现疲劳裂纹甚至折断；叶片和轮盘的接触面积小，连接处热传导较差，使叶片上的热量不易散走；加工精度要求高，以保证各榫齿能均匀受力

68. 涡轮导向器的组成以及功用？：导向器是由导向器内、外环和导向叶片所组成

功用：将气体的部分热能转变为动能，并满足工作轮所要求的进口气流方向

69. 什么是涡轮径向间隙？发动机在起动、巡航、停车时，间隙如何变化

答：涡轮机匣与工作叶片叶尖之间的距离叫涡轮径向间隙。

涡轮的径向间隙是随发动机的工作状态和飞行条件的不同而变化的：

l 起动时, 机匣受热温度升高比轮盘快, 膨胀也快, 所以机匣间隙增大

l 随着转速的增高, 工作叶片和盘都得到加热, 并因离心力的影响, 使径向间隙减小

l 当发动机停车时, 机匣冷却比较快, 因此径向间隙减小

70. 尾喷管的功用，亚音速尾喷管三种状态

答：喷管的功用

使气流加速，将焓转变为动能，以产生很大的推力;其次是通过反推力装置改变喷气方向,即变向后的喷气为向斜前方的喷气, 产生反推力, 以迅速降低飞机落地后的滑跑速度, 缩短飞机的滑跑距离；降低发动机的排气噪音；通过调节喷管的临界面积来改变发动机的工作状态亚音速尾喷管三种状态:亚临界工作状态临界工作状态超临界工作状态

71. 根据尾喷管的组成以及各部件的功用

答：亚音速喷管的组成：排气管(又称中介管，包括壳体、后整流锥和支板三个部分,

)和喷口。

排气管功用：安装在涡轮的后面, 其作用是为燃气提供一个流动通道并使燃气减速, 以减小损失. 后整流锥:使气流通道由环形逐渐变为圆形, 以减小燃气的涡流; 支板:迫使方向偏斜的气流变为轴向流动, 以减小流动损失; 喷口功用：收敛形的管道,使燃气加速, 以获得较大的推力。

72.喷管可用落压比和实际落压比表达式

可用落压比：喷管进口处的总压与喷管外大气压的比值称为可用落压比；

实际落压比：喷管进口处的总压与喷管出口处静压的比值称为实际落压比

73. 稳态和非稳态的区别：稳态下共同工作：发动机在某一转速下连续工作的状态；非稳态（过渡态）下共同工作：发动机从某一转速变到另一转速下工作状态的总和。

74. 稳态下压气机和涡轮共同工作的条件

答：稳定下的共同工作条件有四条：转速一致；流量连续；压力平衡；功率平衡。

77. 发动机从稳态点n1加速到稳态点n2，剩余功率如何变化？

答：n1至n2过程中剩余功率变化分析

i. 在转速增大的过程中

1.压气机功率随转速的增大而增大

2.涡轮功率也随之增大

a) 原因分析

ii. 燃油是瞬间增大的，空气流量增大存在滞后过程

iii. 随着n的增大, T3＊的变化（图）导致△N先增大后减小

1.供油量和空气流量都增大, 起初供油量比空气流量增大得多, 涡轮前燃气总温继续

升高, △N增大

2.后来空气流量比供油量增加得多, 涡轮前燃气总温便逐渐下降, △N便越来越小

3.在n2转速位置，△N＝0

4.发动机便在转速n2达到新的稳定工作状态

iv. 在加速过程中, 涡轮功率始终大于压气机功率

78. 什么是最佳加速供油量？最佳加速供油曲线的定义

为了使加速时转速能尽快地增大，每个转速有一个最大的供油量，这个供油量是根据上述几个限制确定的，通常称为最佳加速供油量。

最佳加速供油曲线的定义

把各个转速正常加速所允许最大供油量的数值标在坐标图上, 并且连成曲线

82. 双转子发动机的优点是什么？

q 相同设计增压比下, 可以使压气机在更广阔的转速相似参数范围内稳定工作

q 可以产生更大的推力

q 低转速下具有较高的压气机效率和较低的涡轮前燃气总温, 燃油消耗率要比单转子发动机低得多

q 在低转速下具有较好的加速性

q 与同样参数的单转子发动机相比, 可以采用较小功率的起动机

85. 当量功率、当量燃油消耗率的定义及表达式

答：当量功率N eq 定义：螺旋桨的轴功率与将反作用推力产生的功率折合为由螺旋桨轴产生的功率之和B e B eq V

F N N η+= ；

当量燃油消耗率sfc eq 定义：涡桨发动机每产生单位当量功率, 在一小时内所消耗的燃油的质量叫做当量燃油消耗率，eq f

m e N q sfc ,3600= 。

86. 涡扇发动机的优缺点

答：涡扇发动机的优点是：在高亚音速范围内, 和涡喷发动机相比较,涡扇发动机具有推力大, 推进效率高, 噪音低, 燃油消耗率低等特点。

涡扇发动机的缺点是

q 风扇直径大, 迎风面积大, 因而阻力大, 结构复杂

q 涡扇发动机的速度特性不如涡喷发动机

n 涵道比较高时, 随飞行速度的增大, 推力很快下降, 因此, 涡扇发动机只适用于高亚音速内飞行

87. 涡扇发动机的质量附加原理

答：质量附加原理：当发动机获得一定的机械能之后, 通过将这部分可用能的重新分配, 将内涵得到的一部分能量传递给外涵, 以增加发动机的总空气流量, 降低其排气速度, 降低噪音, 在一定的飞行速度内, 增大发动机的推力, 降低燃油消耗率。

88 压气机内部包括哪些损失

叶型损失（摩擦损失，分离损失，尾迹损失和主流区的掺混损失，激波损失）二次流失损失

89. 单转子涡轮喷气发动机气流参数在发动机各部件中变化？

单转子涡轮喷气发动机是由进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管五大部分组成

气流经过进气道压力、温度、速度基本不变；经过压气机时气流压力增大形成高压气体，温度略微升高，速度基本不变；经过燃烧室压力基本不变，温度升高形成高温高压的燃气，速度基本不变；经过涡轮时压力下降，温度下降，速度增大；经过喷管压力下降，温度降低，速度增大高速喷出。

90. 对于双转子、三转子支承方案，能够分析各转子的的支承方案，并确定出哪些是止推支点、哪些是中介支点

RB211三转子发动机的支承方案。它的三个转子共有8个支点，通过四个承力构件外传。低压转子为0-2-1支承方案，中压转子为1-2-0支承方案，高压转子为1-0-1支承方案，其中低压转子的止推支点（即3号止推轴承）为中介支点，将低压轴支承于中压压气机后轴内。在整体布局中，将三个转子的止推支点集中在一个承力机匣上，使传力路线好。由于转子数目多，只得在涡轮中采用了涡轮级间（高压与中压级间）的承力构件，支承6、7号轴承。这种涡轮级间承力构件不仅使发动机长度加大，而且也影响涡轮的效率。

96滑油系统的功用、滑油系统分类

答：功用：润滑；冷却；清洁；防腐；除此之外，滑油系统还为其它系统提供工作介质、封严、并是发动机状态的载体

分类：按循环性质分为调压活门式系统和全流式系统。

按系统循环方式分类：干糟再循环式滑油系统按系统循环方式通常分为单回路系统和双回路系统。

98为什么燃气涡轮发动机需要起动机

答：因为（1）当发动机转子不转动时，燃烧室中的空气未经压缩，空气不往发动机内流动，如果在燃烧室中喷油燃烧只能将发动机损坏，发动机不会转动起来；（2）当发动机的转速很低时，即使燃气温度很高，发动机还是不能转动：转速很低时，压气机的增压比很低，压气机和涡轮的效率也很低，涡轮产生的功率小于压气机所需要的功率。（3）当发动机的转速达到某一转速时，涡轮前燃气温度保持最大值，涡轮产生的功率刚好等于压气机所需要的功率，该转速称为最小稳定转速（4）当发动机转速超过此值后，涡涡轮前燃气温度保持最大值，涡轮产生的功率才能大于压气机所需要的功率，才能由涡轮带动发动机的转速上升（5）由此可以看出，起动系统的功用就是给发动机转子的最初转动，帮助点火后的加速使之达到发动机自已保持转动的转速，提供发动机的地面起动，必要时帮助空中起动。

起动过程的三个阶段：第一阶段（从0转速到燃烧室喷油点火）带动发动机转子加速的驱动力来自发动机。加速力矩：M a＝M s－M f第二阶段（从喷油到起动机脱开）带动发动机转子加速的驱动力来自起动机和涡轮转子。加速力矩：M a＝M s+ M T－M f第三阶段（从起动机脱开到慢车转速）带动发动机转子加速的驱动力来自涡轮转子。加速力矩：M a＝M T－M f 100APU作用

答：APU用于各类运输飞机上，其功用是在地面提供电源和气源，用于启动主发动机及飞机空调用气。