航空发动机行业市场分析.docx
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1、航空发动机行业市场分析1航空发动机的分类及发展航空发动机起步于活塞式发动机,发展至今的绝对主流是燃气涡轮发动机。活塞式发动机具有油耗低、成本低、工作可靠等特点,在喷气式发动机发明之前的近半个世纪,是唯一可用的航空飞行器动力。随着飞机飞行速度的不断提升,要求发动机功率大大增加,从而导致活塞发动机重量和体积的迅速增加,同时在接近声速时螺旋桨的效率会急剧下降,所以活塞式发动机螺旋桨组合制约了飞机速度的提升,喷气式发动机能以较轻的重量产生很大的推力,自20世纪40年代出现后,首先用于战斗机上,随后用于轰炸机、运输机和民航客机上,活塞式发动机逐渐退出了航空业的主战场。由于活塞发动机具有油耗低、结构简单、
2、价格便宜等优点,在功率小于20OkW的小型发动机上仍有一定优势,广泛用于初级教练机、超轻型飞机、小型直升机、中低速中低空无人机以及农林用小型飞机上。图1:航空发动机分类液冷式航空发动机r活塞式发动机冷却方式气冷式星形V形j气缸排列方式Y直列式对列式冲压式发动机脉动式发动机J空气喷气式发动机Y涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机有压气机(燃气涡轮发动机)涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机桨扇发动机燃气涡轮发动机做为航空发动机中绝对的主流,主要包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机四种,它们的工作场景和总体架构有所差别,但工作原理相似,并且均由涡轮喷气发动机这一基本构型发展而来。涡轮
3、喷气发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成,其中高压压气机、燃烧室和高压涡轮这三大部件组合起来,再配以转子支撑结构、润滑系统、进排气装置等就组成了核心机。涡轮风扇发动机是在核心机基础上由低压涡轮机及其带动的风扇共同组成的。涡轮螺旋桨发动机是在燃气发生器或核心机后加装动力涡轮,动力涡轮的前轴穿过核心机转子,通过压气机前的减速器驱动螺旋桨,产生向前的推力。涡轮轴发动机也是在燃气发生器或核心机后加装动力涡轮,动力涡轮的前轴穿过核心机转子,通过压气机前的减速器减速后由输出轴输出功率,带动旋翼产生升力及推力。图4:涡轮喷气发动机组成1.11.2 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室
4、、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成。自由流空气首先由进气道引入发动机,之后压气机将进入发动机的空气减速增压,为燃烧室提供高压空气,以提高发动机热力循环的效率,在燃烧室里燃料燃烧使气体温度大大增高,从燃烧室里流出的具有很高能量的高温高压燃气驱动涡轮高速旋转并产生大的功率,由涡轮轴输出机械功,最后从涡轮流出的仍有一定能量的燃气在尾喷管中膨胀加速,以较大的速度排出发动机从而产生推力,对于有加力燃烧室的涡轮喷气发动机,涡轮后的气流会在加力燃烧室中再喷入燃油进行补充燃烧,以增加燃气流出尾喷管前的能量,加大喷气速度,从而增加推力。按照压气机的类型不同,涡轮喷气发动机可以分为离心式涡轮
5、喷气发动机和轴流式涡轮喷气发动机。早期涡轮喷气发动机大多为离心式,离心式压气机结构简单,制造方便,坚固耐用,工作稳定性高。但是离心式发动机单位迎风面积大,效率、增压比和流通能力不如轴流式压气机,推力收到限制,所以从20世纪50年代后,推力稍大的大中型发动机均采用了轴流式压气机,只有小型涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机仍采用离心式或者轴流离心组合式压气机。图7:离心式压气机轴流式涡轮喷气发动机按发动机转子结构不同,又可分为单转子和双转子涡轮喷气发动机。单转子涡轮喷气发动机的压气机和涡轮共用一根轴,结构简单,造价低廉,是早期涡轮喷气发动机多采用的结构,但是单转子稳定工作的范围窄,随着增压比的提高,单转子涡
6、轮喷气发动机已经被双转子发动机所取代。双转子发动机将压气机和涡轮分为高压和低压两级,高压压气机和高压涡轮连接形成高压转子,低压压气机和低压涡轮连接形成低压转子,低压转子的传动轴从高压转子中穿过,两个转子可以以各自最佳的工作转速转动,从而具有总增压比高、效率高、稳定工作范围宽、启动功率小、加速性好等特点。涡轮喷气发动机从20世纪40年代中后期开始服役至今,已发展到第三代。第一代涡轮喷气发动机用于装备亚音速战斗机,推重比很小只有23,均为单转子发动机,一部分是离心式发动机,一部分是轴流式发动机。第二代涡轮喷气发动机主要用于装备第一代超音速战斗机,于20世纪50年代中期开始服役,推重比为45,多是单
7、转子加力式涡轮喷气发动机,结构相对简单,性能还较低,研制周期较短,从方案设计到定型一般不到5年。第三代涡轮喷气发动机主要用于装备第二代超音速战斗机,于20世纪50年代末60年代初开始,主要由苏联发展研制,此时美、英等西方国家已开始发展使用第一代涡轮风扇发动机,这一代涡轮喷气发动机是双转子加力式涡轮喷气发动机,性能较高,推重比为5.56.5。涡轮喷气发动机发展到第三代已达到巅峰,之后世界各国基本转向发展涡轮风扇发动机。1.3 涡轮风扇发动机由高压压气机、燃烧室和高压涡轮构成的核心机和由低压涡轮及其所带动的风扇共同组成的发动机就是涡轮风扇发动机。自由空气流在风扇中增压后,分成两股向后流,一股流入核
8、心机并最终由尾喷管流出,称为内涵气流,一股由核心机机匣和外涵机匣间的环形流道中流出,称为外涵气流,内外涵两股气流产生的推力之和就是涡轮风扇发动机的推力。外涵与内涵空气流量之比称为涵道比,这是影响涡轮风扇发动机性能好坏的一个重要循环参数。涡轮风扇发动机中,由高压涡轮流出的燃气需要先在低压涡轮中膨胀做功,会消耗掉很多能量,流出低压涡轮后燃气温度和压强会大大降低,因此内涵道中的气流所产生的推力要比涡轮喷气发动机低些,但是尾喷管的排气能量损失会小很多,同时低压涡轮带动风扇转动,压缩外涵道空气喷出,也产生一定推力,内外涵气流的总推力是比涡轮喷气发动机大的,而且能量损失又降低了,经济性优于涡轮喷气发动机。
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