航空燃氣渦輪發動機原理與結構（簡體書）

全書共分為15章。分章節介紹了燃氣渦輪發動機、部件與系統的基本組成、工作原理、基本結構與特點，以及航空發動機的現代維護理念與方法。第1章介紹了工程熱力學基本知識和空氣動力學基本知識；第2章介紹了燃氣渦輪發動機的類型及特點，討論了渦輪噴氣發動機的基本組成和工作、噴氣發動機的推力，發動機在飛機上的安裝；第3章討論了發動機各部件（進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管）的功能、工作原理與基本結構，不正常工作及其原因與預防；第4章著重介紹了渦扇和渦噴發動機的主要性能參數，討論了發動機部件的共同工作，發動機的穩態與過渡態，以及渦噴、渦扇、渦槳和渦軸發動機的特點與特性；第5章介紹了轉子支承結構，軸承、封嚴的形式及應用，以及附件傳動裝置；第6章到第12章分別討論了燃油及控制系統、啟動與點火系統、空氣系統、發動機操縱系統、測量與指示系統、滑油系統和反推系統的功用、組成、工作，以及系統的維護；第13章討論了螺旋槳的工作原理與結構，以及維護工作；第14章介紹了輔助動力裝置的組成、工作及維護；第15章介紹了航空發動機的最新的維護理念與發動機的技術管理。

李平，航空工程碩士，自然科學研究員。就職于中國民用航空飛行學院。主要從事航空發動機控制，發動機狀態監視與故障診斷領域研究與教學。曾獲省部級成果二等獎、三等獎各1項。出版專著1部。

《航空燃氣渦輪發動機原理與結構》的編寫參考了CCAR-66R1《民用航空器維修人員執照管理規則》和AC-66-FS-002R1《航空器維修基礎知識和實作培訓規范》對民用航空器維修人員的知識要求,緊密結合民航生產實際，系統地介紹了航空燃氣渦輪發動機的原理與結構。

前言
為適應中國民用航空業的飛速發展對機務維修人員的素質和技能要求，編寫出版了《航空燃氣渦輪發動機原理與結構》。本書的編寫參考了CCAR-66R1《民用航空器維修人員執照管理規則》和AC-66-FS-002R1《航空器維修基礎知識和實作培訓規范》對民用航空器維修人員的知識要求,緊密結合民航生產實際，系統地介紹了航空燃氣渦輪發動機的原理與結構。本書力求反映民用航空燃氣渦輪發動機的最新技術與成果，內容安排上既注重知識的系統性與完整性，同時也注意難以適度，圖文并茂，深入淺出。分析討論以民航主力機型渦扇發動機為主，同時兼顧渦軸與渦槳發動機。
全共分15章，介紹了航空燃氣渦輪發動機的類型，部件及系統的組成、結構及工作，以及最新的發動機維護與管理的概念。為方便讀者自學，本書前面編入了工程熱?學和空氣動力學基礎知識。第1章介紹了工程熱力學與空氣動力學的相關基礎知識；第2章燃氣渦輪發動機概述；第3章發動機部件中分別討論進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管的工作與結構；第4章介紹了發動機的主要性能參數、發動機的共同工作，討論了渦噴、渦扇、渦槳和渦軸的特點；第5章軸承、封嚴和附件傳動系統；第6章到第11章分別討論了發動機燃油及控制系統、啟動和點火系統、發動機冷卻系統、發動機內部封嚴與壓力平衡、壓氣機流量控制、渦輪間隙控制、防冰系統、發動機操縱系統、測量與指示系統、滑油的知識、滑油系統的組成及工作、以及滑油系統的維護；第12章介紹了反推系統的組成與工作；第13章討論了螺旋槳原理及調速系統；第14章介紹了輔助動力裝置的組成、系統及工作；第15章介紹了發動機的維護與管理概念。
本書可作為航空機務維護人員業務學習和參考用書。
最后，在此感謝對本書編寫和出版給予支持的中國民用航空飛行學院和中國輕工業出版社的各級領導及同仁的大力支持，以及所引用參考文獻的作者及單位。

目錄
第1章 基礎知識
1.1 工程熱力學基本知識
1.2 空氣動力學基礎知識
第2章 燃氣渦輪發動機概述
2.1 噴氣發動機的分類
2.2 渦噴發動機的組成與工作
2.3 噴氣發動機的推力
2.4 發動機在飛機上的安裝
第3章 發動機部件
3.1 進氣道
3.2 壓氣機
3.3 燃燒室
3.4 渦輪
3.5 噴管
第4章 發動機的性能和特性
4.1 渦噴和渦扇發動機的主要性能參數
4.2 發動機的共同工作和特性
4.3 渦輪風扇發動機
4.3.1渦扇發動機的特點
4.4 渦輪螺旋槳發動機
4.5 渦輪軸發動機
第5章 軸承、封嚴和附件傳動
5.1轉子聯軸器
5.2 轉子支承與轉子支承方案
5.3 封嚴的作用和形式
5.4 附件傳動裝置
第6章 燃油及控制系統
6.1 燃油知識
6.2 燃油分配系統
6.3 燃油控制器
第7章 啟動和點火系統
7.1 啟動系統
7.2 點火系統
7.3 啟動常見故障及系統維護
第8章 空氣系統
8.1 發動機冷卻系統
8.2 發動機內部封嚴與壓力平衡
8.3 壓氣機流量控制
8.4 渦輪間隙控制
8.5 防冰系統
第9章 發動機操縱系統
9.1 操縱系統的類型
9.2 操縱系統的組成
9.3 發動機啟動/停車操縱
9.4 推力操縱
9.5 渦軸發動機的操縱
第10章 測量與指示系統
10.1概述
10.2 發動機參數測量
10.3 指示與告警
第11章 滑油系統
11.1 滑油知識
11.2 滑油系統的組成及工作
11.3 滑油系統的維護
第12章 反推系統
12.1 反推的原理和要求
12.2 反推裝置的類型
12.3 反推子系統
12.4 氣動式反推裝置
12.5 液壓式反推裝置
第13章 螺旋槳
13.1 螺旋槳的工作原理
13.2 螺旋槳的分類與結構
13.3 螺旋槳的調節
13.4 螺旋槳輔助系統
13.5 螺旋槳的維護
第14章 輔助動力裝置
14.1 APU的組成
14.2 APU艙和安裝
14.3 APU的系統
14.4 APU的工作
第15章 發動機的維護與管理
15.1 概述
15.2 發動機狀態監控
15.3 維護的基本工作內容
15.4 發動機的大修

第4章 發動機的性能和特性
本章將介紹發動機的主要性能參數，分析發動機穩定工作狀態和過渡工作狀態,討論發動機的性能特性，并在此基礎上分析民用機常用發動機——渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機的工作特點。
4.1 渦噴和渦扇發動機的主要性能參數
發動機的推力和經濟性是渦噴和渦扇發動機主要的性能參數。本節將介紹表征發動機推力和經濟性的參數。
4.1.1 表征發動機推力的參數
對渦噴和渦扇發動機而言，發動機推力是發動機的最主要性能參數之一。發動機的推力值是在地面發動機試車臺架上測出的。飛機上沒有推力測量裝置，因此使用中是用發動機的某些工作參數來間接地表征發動機的推力大小。表征發動機推力的參數有發動機轉速n和壓力比EPR。
（1）轉速n
發動機轉速是影響發動機推力的最主要參數之一。當發動機轉速增加時，進入發動機的空氣流量增加，發動機推力增大；同時壓氣機增壓比越高，燃氣的膨脹能力越強，噴管的排氣速度越大，發動機推力越大。因此發動機轉速反映了推力的大小。發動機轉速越高，推力越大。
由于高涵道比（涵道比B≥4）渦扇發動機的推力主要由外涵風扇產生，所以常用風扇轉速N1（即低壓轉子轉速）來表征發動機推力大小，如CFM56系列渦扇發動機。
（2）發動機壓力比EPR
發動機壓力比EPR是渦輪出口總壓與壓氣機進口總壓之比，即：

上式所定義的壓力比也稱為內涵壓力比。發動機壓力比越高，氣體在噴管內膨脹能力就越強，排氣速度也就越高；同時燃氣密度也越大，意味著發動機燃氣流量越大，因而發動機的推力越大，所以發動機壓力比反映了發動機推力的大小。
對于高涵道比渦扇發動機，由于高涵道比發動機的推力主要由外涵風扇產生，外涵壓力比反映了外涵氣流的膨脹能力與流量大小，所以某些發動機用外涵壓力比來表征發動機推力。外涵壓力比EPRII是風扇出口氣體總壓與風扇進口氣體總壓之比，即：

發動機轉速直接反映了發動機承受的機械負荷和熱負荷的大小，且發動機轉速容易測量，測量精度也較高。轉速既是發動機性能參數，同時也是發動機的狀態參數。因此早期的發動機都用轉速來表征發動機推力。
當發動機轉速一定時，其它因素的變化對推力的影響也可以通過EPR的值反映出來。如當壓氣機葉片積污，一方面會使壓氣機效率降低，增壓能力減弱，從而導致EPR減小；另一方面發動機空氣流量減小，因此發動機推力減小。
發動機工作時，發動機控制系統響應飛行員的推力指令，保持轉速/或EPR不變來保持發動機推力不變。用轉速表征推力的發動機，當發動機性能衰退時，發動機推力下降較多；而用EPR表征推力的發動機，控制系統會通過增加供油量，提高發動機轉速，來保持發動機EPR不變，因而發動機性能衰退對推力的影響較小。這通常表述為保持EPR不變可以精確地控制發動機的推力。需要注意的是由于通過提高轉速來保持發動機壓力比EPR不變，因而發動機更容易發生超溫和超轉。在控制系統設計時應考慮相應的安全保護措施。
用內涵壓力比EPR來表征推力的有PW4000、V2500渦扇發動機等；用外涵道EPRII表征發動機推力的有RB211渦扇發動機等。
4.1.2?表征發動機經濟性的參數
發動機工作時，燃料燃燒后所放出的熱能并不能全部轉化為有用功，還有很大一部分能量被損失掉了。能量損失的大小可用發動機的效率來描述。效率可以準確反映發動機經濟性。反映發動機工作過程中能量損失大小的參數有發動機總效率、熱效率、推進效率和單位燃油消耗率。它們的意義及關系描述如下：
（1）熱效率
從發動機的推力產生的原理可以看出，燃料燃燒釋放出的熱能，通過發動機各部件的工作，將一部分熱能轉換成氣體的動能，使氣體在發動機中獲得速度增量，從而產生推力。
熱效率定義：1kg氣體流過發動機獲得的動能增量與加給這部分氣體的燃料理論放熱量之比，即：

式中：——噴管出口氣流速度；
——發動機進口氣流速度，飛行過程中為飛機的飛行速度。
燃料的放熱量在轉換成氣體動能增量的過程中的能量損?主要有：
(a)高溫燃氣自噴管噴出時所帶走的熱量；
(b)發動機表面的散熱損失和滑油冷卻所帶走的熱量；
(c)燃燒室中不完全燃燒和燃燒產物的離解，而未釋放出的熱量。
由于燃氣排氣溫度很高(一般在300℃以上)，所以高溫燃氣自噴管噴出時所帶走的熱量是發動機最主要的能量損失。從布萊頓循環可知減小這部分能量損失的主要措施就是提高發動機增壓比，以便將更多的熱能轉換成氣體的動能增量，提高熱能的利用率。因此目前發動機的設計增壓比越來越高，當然增壓比的選擇要結合發動機的循環參數，以及制造技術以及制造成本綜合考慮。
熱效率描述了燃氣渦輪發動機作為熱機的經濟性。目前燃氣渦輪發動機的熱效率為30%～40%。
（2）推進效率
飛機在飛行中，若發動機推力為F，發動機的空氣流量為，飛機飛行速度為，則單位時間內發動機推力對飛機所做的功（習慣上稱為推進功）為F。
考慮到單位時間內流過發動機的氣體動能增量：

推進效率的定義：單位時間內推力所做的推進功與流過發動機氣體的動能增量之比，用表示，即：
(4-1)
氣體流過發動機時所獲得的動能增量，只有一部分轉換成了飛機的推進功，其余的部分隨噴出的氣體流失到大氣中了，這部分能量損失稱為離速損失或動能損失。可以推導出單位時間內流過發動機氣體的離速損失大小為：

對1kg的氣體則為：

推進效率描述了發動機由氣體動能增量轉變成飛機推進功過程中能量損失的大小。評定了燃氣渦輪發動機作為推進器的經濟性。
將推力公式代入式(4-1)中，可得：

由上式可見，推進效率與飛行速度和噴氣速度有密切關系，即發動機推進效率只取決于飛行速度與噴氣速度的比值。圖4-1通過曲線表示了推進效率隨/變化的情形。通過此曲線可以得出以下結論：
（a）當發動機在地面工作時，發動機推力的功為零，此時推進效率為零。
（b）當/逐漸增大，飛行速度與噴氣速度越接近，離速損失越小，發動機推進效率越高。當/接近于1時，離速損失趨近于零，發動機推進效率也接近于1。但是，需要注意的是當推進效率趨近于1時，意味著氣體速度增量接近為零，即推力趨近于零。而要確保一定的飛行速度，發動機推力必須克服該飛行速度下的阻力，因此使飛行速度等于噴氣速度是不可能的，相應的發動機推進效率也不可能為1。目前燃氣渦輪發動機的推進效率一般為50%～75%。
圖4-2給出了幾種發動機推進效率的比較，由圖可見：渦槳發動機在中低速飛行時有較高的推進效率；而渦噴發動機在高速飛行時有相對較高的推進效率；渦扇發動機介于這兩者之間。由于渦噴發動機在低速時經濟性差，耗油率高，目前戰斗機發動機也選用低涵道渦扇發動機作為動力裝置。
（3）發動機總效率
總效率定義為：發動機推力的推進功與加入燃料的理論放熱量之比，即：

將上式變換，可得：

由上式可見：發動機總效率等于其熱效率與推進效率的乘積。無論是提高發動機熱效率還是提高推進效率都會使發動機的總效率提高，經濟性變好。
總效率描述了發動機將熱能轉變成推進功的過程中能量損失的大小，它評定了燃氣渦輪發動機的經濟性。目前燃氣渦輪發動機總效率為20%～32%。
若將燃料的理論放熱量定義為100%，則各部分的能量大致分配比例如圖4-3所示。
（4）單位燃油消耗率與發動機總效率的關系
單位燃油消耗率（SFC：Specific Fuel Consumption）也稱單位燃油消耗率，其定義為：發動機產生單位推力（對渦槳和渦軸發動機而言是單位功率）單位時間內消耗的燃油量，單位為kg/h·N（或kg/h·kW）。其數學表達式為：

SFC是從燃料消耗與發動機推力輸出角度來描述發動機的經濟性，而發動機總效率是從能量轉換的角度描述發動機的經濟性,所以兩者之間存在一定的聯系。由單位燃油消耗率的定義可推導出：

式中：——飛行速度(m/s)；
——燃料低熱值(J/kg)。
由此可見：當飛行速度一定時，SFC與總效率成反比。發動機總效率越高，SFC越小。