航空發動機工程通論

航空發動機被譽為“工業皇冠上的明珠”，也是制約我國民航事業、國防裝備建設的主要“瓶頸”，是當前國家重點發展的高技術領域。

目前我國高校中的航空發動機專業教科書中，通常設有航空葉輪機原理、航空發動機結構與強度、燃燒與傳熱、控制等專業基礎課程，能為大學生或研究生畢業後從事專業研究或技術工作打下堅實基礎。但是，對於航空發動機的系統工程師、總設計師或高級技術管理人員來説，還需要掌握航空發動機從總體到各部件（子系統）的“全系統”知識，尤其是工程發展過程中涉及從用户需求、產品概念、設計、試驗、製造、使用等各環節的“全過程”相關知識。

因此，本書力圖提供航空發動機整個工程發展全過程所涉及的基本要求、程序、理論、方法和途徑，以及為理解這些所需要的航空發動機全系統的基本知識，即：全系統全過程“兩全”知識，本書適合有一定航空發動機專業知識的高年級本科生或研究生、相關技術人員以及管理人員。目前尚缺少類似的專著，本書能夠起到填補空白、引領領域發展的作用。 ^[1] 

第1章 航空發動機概述001

1.1 航空發動機的發展歷程001

1.1.1 活塞式發動機001

1.1.2 燃氣渦輪發動機003

1.2 渦噴渦扇發動機概述007

1.2.1 組成與工作機理007

1.2.2 發動機性能評定009

1.2.3 發動機劃代011

1.3 渦軸渦槳發動機概述014

1.3.1 結構形式和工作特點014

1.3.2 評定性能的指標018

參考文獻021

第2章 燃氣渦輪發動機原理023

2.1 產生推力的原理023

2.2 熱力循環和效率024

2.3 不同類型發動機的熱力循環026

2.3.1 渦輪噴氣發動機026

2.3.2 渦輪風扇發動機028

2.3.3 渦輪螺旋槳、槳扇和渦軸發動機030

2.3.4 加力渦噴發動機031

2.3.5 幾種發動機推進效率的比較031

2.4 進氣道033

2.4.1 進氣道的類型034

2.4.2 進氣道的性能參數037

2.5 風扇和壓氣機040

2.5.1 壓氣機的分類040

2.5.2 壓氣機的工作原理042

2.5.3 壓氣機的主要性能參數046

2.5.4 壓氣機系統性能046

2.6 燃燒室047

2.6.1 燃燒室的類型048

2.6.2 燃燒室的工作過程048

2.6.3 燃燒室的主要性能參數051

2.6.4 燃燒室特性052

2.6.5 加力燃燒室053

2.7 渦輪054

2.7.1 渦輪的工作原理055

2.7.2 渦輪的主要性能參數056

2.7.3 渦輪特性057

2.8 噴管058

2.8.1 噴管類型058

2.8.2 噴管性能059

2.8.3 其他功能062

2.9 壓氣機與渦輪共同工作063

參考文獻065

第3章 航空發動機的主要構成068

3.1 壓氣機（風扇）068

3.1.1 離心式壓氣機069

3.1.2 軸流式壓氣機070

3.1.3 材料074

3.2 燃燒室074

3.2.1 單管燃燒室075

3.2.2 環管燃燒室075

3.2.3 環形燃燒室076

3.2.4 材料077

3.3 渦輪077

3.3.1 導向器葉片077

3.3.2 渦輪盤078

3.3.3 渦輪工作葉片078

3.3.4 材料080

3.4 加力燃燒室080

3.4.1 擴壓器081

3.4.2 供油裝置081

3.4.3 點火裝置082

3.4.4 火焰穩定器083

3.5 排氣系統084

3.5.1 亞聲速噴管085

3.5.2 超聲速噴管086

3.5.3 噴管變幾何結構087

3.5.4 引射噴管087

3.6附件傳動088

3.6.1內部齒輪箱089

3.6.2徑向傳動軸090

3.6.3外部齒輪箱090

3.7潤滑系統090

3.7.1滑油箱091

3.7.2滑油散熱器091

3.7.3滑油系統的其他裝置092

3.8空氣系統093

3.8.1冷卻094

3.8.2封嚴096

3.8.3軸承載荷控制098

3.9控制系統099

3.9.1概述099

3.9.2液壓機械式控制系統102

3.9.3數字控制系統104

3.10渦軸渦槳發動機的構造特點107

3.10.1燃燒室107

3.10.2自由渦輪109

3.10.3排氣裝置110

3.10.4減速器110

3.10.5粒子分離裝置110

3.10.6紅外抑制裝置111

3.10.7螺旋槳和調速系統112

參考文獻113

第4章 航空發動機研製發展階段劃分及其特點115

4.1國外航空發動機發展的管理理念演變115

4.2航空發動機的研製階段117

4.2.1需求分析與論證階段118

4.2.2方案設計階段119

4.2.3詳細設計階段122

4.2.4試製與驗證階段123

4.2.5生產與服務階段123

4.3技術成熟度評價方法123

4.3.1基本概念124

4.3.2發展沿革124

4.3.3技術成熟度評價方法124

4.3.4技術成熟度等級評價流程127

4.3.5評價細則128

4.4我國航空發動機全壽命管理概要139

4.4.1預先研究140

4.4.2工程研製141

4.4.3使用發展142

參考文獻143

第5章 航空器對動力的需求分析144

5.1概述144

5.2飛機任務分析145

5.2.1飛機任務需求146

5.2.2約束條件分析150

5.2.3分系統性能參數優化選擇153

5.2.4分系統性能參數指標的優化迭代155

5.3發動機能力需求與指標體系156

5.3.1任務飛行能力156

5.3.2作戰適用能力156

5.3.3環境適應能力156

5.3.4部署與快速出動能力156

5.3.5生存能力157

5.3.6綜合保障能力157

5.3.7經濟承受能力157

5.4主要技術指標159

5.4.1性能與適用性159

5.4.2環境適應性167

5.4.3結構完整性168

5.4.4戰鬥生存力170

5.4.5“五性”171

5.4.6經濟可承受性172

5.4.7子系統適應性與完整性173

參考文獻174

第6章 發動機初步總體設計175

6.1設計點性能分析176

6.1.1目的176

6.1.2設計點循環分析176

6.1.3舉例發動機的選擇：設計點分析183

6.2非設計點性能分析191

6.2.1目的191

6.2.2分析計算191

6.2.3非設計點循環分析示例193

6.3確定發動機尺寸：安裝性能198

6.3.1概念198

6.3.2分析計算199

6.3.3發動機安裝性能和終尺寸確定的實例200

6.3.4AAF發動機性能202

6.4小結206

參考文獻206

第7章 部件和系統的設計及要求208

7.1主要部件設計208

7.1.1壓縮部件208

7.1.2主燃燒室和加力燃燒室214

7.1.3高壓渦輪和低壓渦輪219

7.1.4噴管224

7.2發動機總體結構設計225

7.2.1結構佈局內容225

7.2.2發動機轉子支承方案226

7.2.3發動機承力系統228

7.2.4臨界轉速估算229

7.2.5重量估算229

7.3發動機控制系統231

7.3.1控制系統要求232

7.3.2控制系統設計流程簡介234

7.3.3控制系統的發展237

7.4發動機子系統設計239

7.4.1燃油系統239

7.4.2潤滑系統241

7.4.3健康管理系統243

7.4.4電氣系統245

7.4.5點火系統246

7.4.6起動系統246

7.4.7防冰系統247

7.4.8尾噴管系統247

參考文獻248

第8章 航空發動機通用質量特性250

8.1概述250

8.1.1基本概念250

8.1.2“五性”要求分類和主要提出方法252

8.1.3裝備“五性”指標體系簡介253

8.2可靠性260

8.2.1航空發動機可靠性的重要性260

8.2.2航空發動機可靠性要求和指標體系261

8.2.3航空發動機可靠性設計267

8.2.4發動機故障模式、影響及危害度分析268

8.2.5發動機故障報告、分析和糾正措施系統（FRACARS）268

8.2.6發動機可靠性的檢查與評估269

8.2.7發動機研製階段的可靠性驗證試驗272

8.2.8發動機使用階段的可靠性評定273

8.3維修性274

8.3.1維修性的意義274

8.3.2要求和指標275

8.3.3維修技術要求277

8.3.4維修性評估驗證278

8.4測試性279

8.4.1要求與指標279

8.4.2測試性評估驗證280

8.4.3持續改進280

8.5保障性280

8.5.1要求與指標280

8.5.2保障性驗證要求282

8.6環境適應性283

8.6.1發動機整機要求283

8.6.2發動機附件要求289

參考文獻290

第9章 航空發動機適航性292

9.1概述292

9.1.1基本概念292

9.1.2適航法規簡介293

9.1.3民用航空器適航性工作294

9.1.4國外軍用飛機適航性工作296

9.1.5軍用飛機與民用飛機適航性比較298

9.2軍用飛機適航性300

9.2.1研製階段適航性主要工作項目300

9.2.2軍用飛機適航性要求301

9.2.3軍用飛機適航性驗證304

9.2.4軍用飛機適航審查306

9.3航空發動機適航性308

9.3.1發動機適航法規308

9.3.2某型航空發動機適航審查基礎311

9.3.3適航安全性水平314

9.3.4航空發動機適航性設計315

9.3.5某型發動機適航審查符合性方法316

參考文獻317

第10章 航空發動機試驗鑑定319

10.1試驗鑑定的概念和內涵319

10.2試驗鑑定的內容和範圍320

10.3試驗鑑定特點、流程和要求321

10.3.1試驗鑑定特點321

10.3.2試驗鑑定的流程322

10.3.3試驗鑑定的總體要求與主要規範324

10.4國外航空發動機試驗鑑定情況328

10.5技術指標驗證需求332

10.5.1性能與適用性332

10.5.2環境適應性334

10.5.3結構完整性334

10.5.4戰鬥生存力335

10.5.5“五性”335

10.5.6經濟性336

10.5.7子系統適應性與完整性336

10.6航空發動機試驗考核體系337

10.6.1頂層規範驗證試驗項目337

10.6.2試驗考核體系分析341

參考文獻350

第11章 航空發動機使用發展352

11.1概念與內涵352

11.2使用發展的作用意義353

11.2.1改進可靠性和耐久性353

11.2.2提高性能和擴大用途353

11.2.3降低成本和費用354

11.3使用維修與監控354

11.3.1飛機維修活動354

11.3.2發動機的維修工作355

11.3.3發動機健康管理357

11.4可靠性增長365

11.4.1定義365

11.4.2可靠性增長的需求365

11.4.3可靠性增長案例分析366

11.4.4可靠性增長的主要做法367

11.5定壽延壽368

11.5.1航空發動機壽命的內涵368

11.5.2常用定壽方法369

11.5.3結論372

11.5.4某型發動機單機延壽案例372

11.6系列化發展374

11.6.1系列化發展的技術途徑374

11.6.2CFM 56發動機的系列化發展案例介紹375

11.6.3AЛ-31Ф系列發動機案例介紹378

參考文獻380

第12章 航空發動機標準體系382

12.1概述382

12.1.1定義382

12.1.2標準在國家建設中的地位和作用382

12.1.3軍用標準化的歷史385

12.1.4我國軍用標準化概況386

12.1.5國外先進標準390

12.2軍用裝備標準化管理391

12.2.1型號標準化工作391

12.2.2型號專用規範393

12.2.3標準化程度評價393

12.2.4軍用標準的選用和剪裁394

12.3航空發動機標準體系特點394

12.3.1國外航空發動機標準體系分析395

12.3.2國內航空發動機標準體系分析397

參考文獻401

第13章 航空發動機技術狀態管理402

13.1概述402

13.1.1技術狀態管理發展的歷史402

13.1.2定義403

13.1.3技術狀態管理405

13.2技術狀態標識405

13.2.1定義405

13.2.2主要活動405

13.3技術狀態控制408

13.3.1概念408

13.3.2原則409

13.3.3工程更改409

13.3.4偏離/超差411

13.3.5接口控制411

13.4技術狀態記實411

13.5技術狀態審核412

13.5.1定義412

13.5.2人員412

13.5.3地點412

13.5.4步驟412

13.6監督與實施412

13.7應用案例413

參考文獻413

第14章 航空發動機經濟可承受性415

14.1概述415

14.1.1裝備費用的構成與作用415

14.1.2裝備經濟可承受性416

14.2經濟性研究基礎417

14.2.1壽命週期費用分解結構417

14.2.2費用的時間價值418

14.2.3熟練曲線418

14.2.4費用估算程序420

14.2.5費用估算方法424

14.2.6壽命週期費用論證要點427

14.3基於PRICE軟件的壽命週期費用論證429

14.4發動機經濟性算例分析431

14.4.1某預研計劃算例分析431

14.4.2某渦扇發動機全壽命費用分析432

14.5控制發動機全壽命費用的措施434

14.5.1費用作為獨立變量的方法434

14.5.2控制發動機費用的途徑分析436

參考文獻436

符號表438

甘曉華，航空發動機專業，博士，中國工程院院士。任中國航空學會副理事長、學術委員會主任委員和動力分會主任委員；長期從事航空發動機發展、技術研究和管理工作，主持航空發動機多項基礎研究和關鍵技術研發，提升飛機發動機使用性能和壽命，並用於航天技術領域；作為完成人，獲國家科技進步二等獎4項，2009年被評為“全國傑出專業技術人才”，2012年被評為“全國優秀科技工作者”。

薛洪濤，航空發動機專業，碩士，副研究員。長期從事航空發動機發展和技術研究。在航空發動機發展全流程、型號研製綜合論證，以及發動機燃燒、控制、使用維護、故障診斷等領域具有豐富研究經歷；獲省部級科技進步一等獎2項、二等獎5項。

雷友鋒，航空發動機專業，博士，正高級工程師，曾任航空動力系統研究室主任。長期從事航空發動機發展和技術研究，在航空動力發展、型號綜合論證、結構強度、全壽命管理等技術方面具有豐富研究經歷；獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎8項。 ^[1]