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燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程

燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程

出版社:科学出版社出版时间:2022-10-01
开本: 16开 页数: 303
本类榜单:工业技术销量榜
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燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程 版权信息

  • ISBN:9787030729941
  • 条形码:9787030729941 ; 978-7-03-072994-1
  • 装帧:一般胶版纸
  • 册数:暂无
  • 重量:暂无
  • 所属分类:>

燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程 内容简介

本书在简要叙述燃气涡轮轴和螺桨发动机的发展历程、现状以及工作原理、特性的基础上,重点叙述与燃气涡轮轴和螺桨发动机相关的6方面设计技术:总体性能设计技术、总体结构设计技术、流道尺寸和重量估算技术、主要系统设计技术、调节技术、通用质量特性与适航技术。本书取材新颖、实用,是一本燃气涡轮轴和螺桨发动机工程技术专著。 本书可供从事燃气涡轮轴和螺桨发动机研发的技术人员使用,也可供相关高校航空发动机和燃气轮机学科领域的师生参考。

燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程 目录

目录
涡轮机械与推进系统出版项目 序
“两机”专项:航空发动机技术出版工程 序
前言
第1章概述
1.1燃气涡轮轴和螺桨发动机的作用和地位001
1.2燃气涡轮轴和螺桨发动机的基本特点002
1.2.1性能参数002
1.2.2结构型式003
1.2.3技术特点008
1.3燃气涡轮轴和螺桨发动机的发展历程009
1.3.1燃气涡轮轴发动机的发展历程009
1.3.2燃气涡轮螺桨发动机的发展历程010
1.4国外燃气涡轮轴和螺桨发动机的发展思路011
1.4.1全新研制011
1.4.2改进改型013
1.4.3涡轴、涡桨相互改型014
第2章燃气涡轮轴和螺桨发动机工作原理和特性
2.1发动机热力工作循环016
2.1.1理想循环016
2.1.2实际循环018
2.2发动机部件的共同工作020
2.2.1核心机共同工作条件021
2.2.2共同工作方程及共同工作线024
2.3发动机工作特性025
2.3.1工作状态026
2.3.2节流特性027
2.3.3温度特性028
2.3.4高度特性028
2.3.5速度特性029
2.4发动机相似参数030
2.5飞机对动力装置的要求031
2.5.1通用要求031
2.5.2接口要求031
2.5.3通用质量特性要求与寿命要求032
第3章燃气涡轮轴和螺桨发动机总体性能设计
3.1设计点循环分析033
3.1.1设计点选取033
3.1.2热力循环参数选取038
3.1.3设计裕度选取041
3.1.4设计点性能计算042
3.2非设计点性能分析054
3.2.1非设计点性能模拟方法与流程054
3.2.2变几何构型的模拟与影响057
3.3参数限制值确定057
3.3.1转速限制值确定058
3.3.2燃气温度限制值的确定060
3.3.3扭矩限制值确定061
3.3.4参数限制对发动机性能影响分析062
3.3.5发动机参数保护值确定063
3.4气动稳定性设计064
3.4.1压气机气动不稳定工作状态065
3.4.2稳定性裕度066
3.4.3进气总压畸变对发动机气动稳定性的影响067
3.4.4进气总温畸变对发动机气动稳定性的影响069
3.4.5进气总温总压组合畸变对发动机气动稳定性的影响074
3.5小偏差分析方法和参数敏感性分析076
3.5.1小偏差分析077
3.5.2敏感性分析078
3.6全寿命周期性能衰减对发动机设计的约束080
3.6.1全寿命周期性能要求080
3.6.2性能衰减分析081
3.6.3考虑性能衰减的设计086
3.7考虑发动机功率增长的设计087
3.7.1功率增长途径087
3.7.2功率增长设计方法088
3.7.3功率增长典型案例089
第4章燃气涡轮轴和螺桨发动机总体结构设计
4.1总体结构布局091
4.1.1涡轮轴发动机总体布局091
4.1.2涡轮螺桨发动机总体布局094
4.2转子支承方案098
4.2.1单转子支承方案098
4.2.2双转子支承方案102
4.2.3止推支点在转子中的位置103
4.3受力分析103
4.3.1气体力扭矩计算104
4.3.2惯性力及惯性力矩计算105
4.3.3螺旋桨气动载荷106
4.4联轴器设计107
4.4.1刚性联轴器107
4.4.2柔性联轴器110
4.5支承结构设计114
4.5.1弹性支承结构设计114
4.5.2挤压油膜结构设计117
4.5.3轴承及其冷却润滑设计118
4.5.4动密封设计120
4.6静子承力系统122
4.6.1基本结构122
4.6.2载荷传递125
4.6.3发动机安装节127
4.7转子动力学设计128
4.7.1转子动力学设计内容128
4.7.2典型发动机转子动力学设计130
4.8功率输出形式与扭矩测量131
4.8.1功率输出形式131
4.8.2扭矩测量132
4.9部件接口与尺寸控制133
4.9.1发动机界面划分和接口尺寸控制133
4.9.2冷态与热态间隙控制设计135
4.9.3尺寸链计算与调整设计137
4.10材料与“三防”设计137
4.10.1材料选用138
4.10.2结构设计139
4.10.3表面防护140
4.10.4腐蚀试验141
4.11装配性设计与外部设计141
4.11.1装配性设计141
4.11.2外部零组件设计143
4.11.3发动机与飞机安装接口145
4.12紧固连接与密封147
4.12.1紧固连接147
4.12.2橡塑密封148
4.13标准化要求150
4.13.1设计标准化要求150
4.13.2型号研制标准化153
第5章燃气涡轮轴和螺桨发动机流道尺寸和重量估算
5.1发动机流道尺寸设计159
5.1.1粒子分离器流道尺寸计算159
5.1.2轴流压气机流道尺寸计算161
5.1.3离心压气机流道尺寸计算168
5.1.4轴流涡轮流道尺寸计算174
5.1.5燃烧室流道尺寸计算179
5.2发动机和主要部件重量估算185
5.2.1粒子分离器重量估算185
5.2.2轴流压气机重量估算186
5.2.3离心压气机重量估算190
5.2.4燃烧室重量估算191
5.2.5涡轮重量估算192
5.2.6附件及其他零组件重量估算194
第6章燃气涡轮轴和螺桨发动机系统
6.1进气系统197
6.1.1功能要求197
6.1.2系统设计197
6.2控制系统206
6.2.1功能要求206
6.2.2系统设计207
6.3起动系统215
6.3.1功能要求215
6.3.2系统设计222
6.4电气系统229
6.4.1功能要求229
6.4.2系统设计230
6.5滑油系统235
6.5.1功能要求235
6.5.2系统设计236
6.6空气与防冰系统242
6.6.1功能要求242
6.6.2系统设计243
6.7健康管理系统255
6.7.1功能要求255
6.7.2系统设计255
第7章燃气涡轮轴和螺桨发动机调节规律
7.1发动机起动供油规律258
7.1.1起动机调节规律259
7.1.2供油调节规律259
7.2发动机稳态控制规律260
7.3发动机加减速调节260
7.4防喘控制规律261
7.5双发配平控制规律262
7.6直升机自转下滑控制规律262
7.7螺旋桨发动机一体化控制263
7.8故障模式与处理对策264
第8章燃气涡轮轴和螺桨发动机通用质量特性与适航
8.1通用质量特性269
8.1.1基本概念269
8.1.2可靠性269
8.1.3维修性273
8.1.4保障性277
8.1.5安全性279
8.1.6测试性284
8.1.7环境适应性288
8.2适航292
8.2.1基本概念292
8.2.2适航设计要点293
参考文献299
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燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程 节选

第1章概述   燃气涡轮轴发动机(简称涡轴发动机)、燃气涡轮螺桨发动机(简称涡桨发动机)均属于功率输出型的燃气涡轮发动机,压气机对来流空气进行压缩,进入燃烧室燃烧,燃烧室的燃气能量在涡轮中膨胀做功,除带动压气机工作外,还用来驱动负载(旋翼或螺旋桨)产生推进力。其中,涡轴发动机通过带动旋翼(和尾桨)而产生升力、推进力和控制力(矩),涡桨发动机则通过带动螺旋桨产生推进力。因此,与涡轮喷气/风扇发动机不同,涡轴发动机、涡桨发动机需要分别与直升机的旋翼系统、固定翼飞机的螺旋桨系统共同构成推进系统。   1.1燃气涡轮轴和螺桨发动机的作用和地位   燃气涡轮发动机作为现代固定翼飞机和直升机的主要动力装置,为飞行器提供推力或升力。其中涡轴发动机用作直升机动力,涡桨发动机用作固定翼飞机动力。   早期的直升机均采用航空活塞发动机。20世纪30年代,燃气涡轮发动机逐渐进入航空领域。涡轴发动机于20世纪50年代出现,此后获得了迅猛发展。凭借结构紧凑、单位体积(或质量)功率高、振动小等优势,迅速占领了除超轻型直升机以外的直升机动力市场,不断增大的功率输出能力也推动直升机由轻型发展至中、大型和重型。直升机拥有广阔的使用用途,可以克服地面车辆不便过河、水上船只不能登陆、固定翼飞机难以垂直起降、飞艇不灵活等缺点。军事方面,广泛用于执行对地攻击、侦察预警、空投机降、通信联络、垂直补给、扫雷反潜、搜索救援等多样化作战任务;民用方面,直升机广泛应用于公务飞行、医疗救护、应急救援、行政执法、森林防火、海上石油、农林作业、短途通勤和观光旅游等领域。   涡桨发动机是一种依靠螺旋桨产生的拉力(或推力)驱动飞机运动的航空动力装置。与涡扇发动机相比,具有中低速条件下耗油率更低的特点。据测算,涡桨发动机单位功率的耗油率比涡扇发动机低10%~20%,在同等载重和相同航程下,飞机油耗也相应低25%~35%。并且,配装涡桨发动机的飞机具有良好的机场适应性,能在土、砂石、草地等简易跑道上起降,而螺旋桨的滑流又可以大大改善飞机的起飞/着陆性能,缩短滑跑距离。因此涡桨发动机在中小型军民用运输机、支线客机、无人机等领域得到广泛应用,并仍在不断地向前发展。   根据国际预测公司Forecast International的预测,全球航空涡轴和涡桨发动机年均交付量会在4000台以上,交付价值50亿美元左右,虽不如大型商用喷气发动机的市场影响力大,但仍有举足轻重的地位。总地来说,发展先进的涡轴和涡桨发动机,既是推进军队装备现代化、信息化建设的战略需要,也是国民经济发展的客观需要。   1.2燃气涡轮轴和螺桨发动机的基本特点   1.2.1性能参数   涡轴和涡桨发动机的工作原理与涡喷、涡扇发动机基本相同,不同之处在于可用功的利用特点: 涡轴发动机涡轮出口的可用压力膨胀至外界压力以产生轴功率,在尾喷管仅有少量总压损失,尾喷管扩压后,出口气流速度较小,其动能基本可以忽略,涡轮产生功率一部分用于驱动压气机,另一部分用来输出带动负载。而涡桨发动机除了保证产生*大的轴功率之外,尾喷管出口燃气也具有一定的速度,因而也产生反作用力(又称剩余推力),剩余推力折合的功率占总功率的10%~15%。   表征涡轴和涡桨发动机主要性能参数有功率、耗油率、功重比、单位功率。   功率定义为1.1)式中,P为功率,单位为kW;n为输出轴转速,单位为r/min;Mkp为输出轴扭矩,单位为N m。   耗油率定义为(1.2)式中,sfc为耗油率,单位为kg/(kW h);Wf为燃油流量,单位为kg/h。   功重比定义为Pmr=P/GE(1.3)式中,Pmr为功重比,单位为kW/kg;GE为发动机质量,单位为kg。   单位功率定义为PS=P/Wa(1.4)式中,PS为单位功率,单位为kW/(kg/s);Wa为压气机进口空气流量,单位为kg/s。   涡桨发动机产生的剩余推力通常很小但又不能忽略,为了不单独计算这部分功率,一般引入当量功率的概念。在给定的飞行条件下,当量功率Pe为螺旋桨及喷射气流两者共同产生的推进功率。   当量功率定义为(1.5)式中,F为发动机产生的剩余推力;C0为飞行速度;η为螺旋桨效率。   在地面台架条件下,C0=0、螺旋桨效率η=0,发动机当量功率无法按公式(1.5)进行计算,为了确定涡桨发动机在地面台架状态工作时的当量功率,一般采用经验系数β表征涡桨发动机在地面台架工作时螺旋桨的轴功率与喷射气流产生的剩余推力之比,1kN的剩余推力相当于约60kW的螺旋桨轴功率。   由此可得发动机在地面台架状态工作时的当量功率为Pe=P+βF=P+60F(1.6)由式(1.6)计算涡桨发动机的当量功率后,就可以依照公式(1.2)、公式(1.4)相应计算当量耗油率、单位功率等参数。   涡轴和涡桨发动机的主要工作参数有压比、涡轮进口燃气温度、进口空气流量、部件效率等。其中压比和涡轮进口燃气温度是发动机的热力循环参数,两者有一定的匹配关系。随着设计、制造和材料技术等的发展,发动机的压比和涡轮进口燃气温度逐步提高,从20世纪50年代的压比不超过10、涡轮进口燃气温度不超过1200K发展为当前的压比25、涡轮进口燃气温度2000K左右。热力循环参数中,压比对发动机耗油率影响较大,对于追求经济性的民用发动机,一般选择较高的压比;涡轮进口燃气温度对发动机单位功率影响较大,对于追求小体积的军用发动机,一般选择较高的涡轮进口燃气温度。表征发动机性能先进性的另一个参数是部件效率,根据循环功理论,部件效率越高,则越接近理想循环,在相同的热力循环参数条件下,输出功率越高、耗油率越低。   1.2.2结构型式   1. 主要结构   涡轴和涡桨发动机的燃气发生器结构与其他类型燃气涡轮发动机基本相同,主要由压气机、燃烧室、燃气涡轮、附件传动装置、空气系统、滑油系统、燃油系统和电气系统等主要部件和系统组成。不同之处在于,涡轴发动机因自身需要而包含一些特有的部件,如输出功率的动力涡轮、带砂尘分离功能的粒子分离器和体内减速器等,涡桨发动机的特有部件是体内减速器。   按结构型式来对涡轴和涡桨发动机分类时,一般根据驱动功率输出轴的涡轮结构型式、燃气发生器转子数量以及功率输出轴方向、功率输出轴轴线位置的不同来划分。   按驱动功率输出轴的涡轮与驱动压气机的涡轮是否为同一转子,涡轴和涡桨发动机分为定轴式和自由涡轮式两种型式。定轴式涡轴(涡桨)发动机也称固定涡轮式涡轴(涡桨)发动机。定轴式涡轴(涡桨)发动机结构简单,调节简单,但起动性能差,输出转速高,与旋翼或螺旋桨匹配性较差。自由(动力)涡轮式涡轴(涡桨)发动机因输出功率的动力涡轮与驱动压气机的涡轮之间无机械联系,只有气动联系,结构相对复杂,调节难度高,但起动性能好,输出转速低,与旋翼或螺旋桨匹配良好,是目前常见的类型。   目前在役的涡轴发动机中,采用定轴式结构的已不多见,尚在服役的涡桨发动机中,仍有大量早期型号的涡桨发动机为定轴式结构。   按照燃气发生器转子的数量不同,自由涡轮式涡轴(涡桨)可进一步分为单转子燃气发生器、双转子燃气发生器两种型式。其中,单转子燃气发生器涡轴(涡桨)发动机居大多数,少数中、大功率的涡轴(涡桨)发动机采用双转子燃气发生器结构。   按功率输出的方向相对发动机进气方向的不同,自由涡轮式涡轴(涡桨)发动机可分为前输出轴式和后输出轴式。   按功率输出轴轴线的位置是否与燃气发生器转子轴心同心来分,自由涡轮式涡轴(涡桨)发动机则又分为同心式和偏置式。对于自由涡轮式涡轴(涡桨)发动机,通常有转子同心前输出轴式、转子偏置前输出轴式、转子同心后输出轴式以及转子偏置后输出轴式4种类型,其中双转子燃气发生器涡轮轴发动机多采用同心前输出轴式,而单转子燃气发生器涡轮轴发动机,目前也趋向于采用转子同心前输出轴式。对于自由涡轮式涡桨发动机,除同心式输出型式外,输出轴常采用偏置式减速器,以便与进气道进行匹配。   综上所述,按照结构型式的不同,涡轴、涡桨发动机的分类如表1.1、表1.2所示。   2.特有部件   粒子分离器是军用涡轴发动机常见的部件,用于净化进入压气机的空气。 直升机经常要贴地飞行,并且无固定和专用起降场地,低空及非专用起降场地中近地面的尘土、砂石等外物容易从进气道进入发动机内部,磨损压气机叶片等流道件,堵塞涡轮冷却孔等小孔通道。流道件的磨损将导致压气机、涡轮效率降低,进而引起发动机排气温度升高,功率下降,喘振裕度降低,加上冷却通道的堵塞,将使发动机寿命大大缩短,甚至损坏发动机。设置粒子分离器后,极大减少了各种异物进入发动机造成的损伤。图1.1给出了英国罗 罗

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