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1、第三章第三章无人机的自身重量比重大于空气比重，那么无人机飞行升空的必要条件就是有动力源。在动力的作用下驱动旋翼旋转，产生克服自身重力的升力，实现空中飞行的任务。无人机发动机以及为了保证发动机正常工作所需要的附属系统和附件统称为无人机动力系统，其核心设备是发动机，无人机常用的发动机主要有电动机和燃油发动机两类，电动机中主要使用无刷直流电机和空心杯电机，而燃油发动机中活塞发动机和涡轮发动机在无人机中被广泛采用，因此本章主要介绍这些发动机的类型、结构组成及工作原理等理论知识，为日后的深入学习奠定基础。学习导论第三章第三章1.了解无人机动力系统种类和组成。2.了解有关无人机发动机的分类、功用、发展等方
2、面的知识；3.了解直流电动机的定义和类型；3.掌握无刷直流电机、有刷直流电机和空心杯电机的基本结构、工作原理以及它们各自的优缺点。4.掌握航空活塞式发动机的分类、基本结构、工作原理和特性；5.掌握涡轮喷发发动机的分类、结构、工作原理和工作特性；6.掌握涡浆、涡扇和涡轴发动机结构组成和工作原理。学习目标第三章无人机动力系统第三章无人机动力系统动力系统概述第一节电动机第二节 活塞式发动机第三节涡轮发动机第二节第三章动力系统概述3.1.1 电池类发动机动力系统组成1.无刷电机动力系统1)电电池：池：能量装置，为无人机提供电能，常用类型是锂聚合物电池。2)无刷无刷电电机机：能量转换装置，将电能转化为机
3、械能，属于外转子电机，无电刷。3)电调电调：全称电子调速器，其主要作用是控制电动机的转速。4)平衡充平衡充电电器器：专用电池必须采用平衡充电器进行充电。5)传动传动系系统统：对于微型机载重小，旋翼叶片直接安装在电动机的转轴上，不另外加装传动齿轮。但对于载重大的无人机，旋翼轴与电机轴中间需要安装齿轮传动系统。第三章动力系统概述3.1.1 电池类发动机动力系统组成2.空心杯有刷电机动力系统1)空心杯有刷空心杯有刷电电机机：空心杯有刷直流电机转子，无铁芯。2)MOS 管管：用做驱动电路。3)电电池：池：锂电池用来给电机供电。4)平衡充平衡充电电器器：专用电池必须要用平衡充电器充电。无人机采用空心杯有
4、刷电机，彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，使电动机的运转特性得到了改善。其动力装置由空心杯有刷电机、MOS 管、电池及平衡充电器组成。第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成1.燃油发动机系统主要装置是将燃料的化学能转化为机械能的发动机，主要有航空活塞发动机和涡轮轴发动机两大类。燃油类发动机动力系统复杂，完成一次完整的能量输入输出任务，需要很多子系统共同协作。子系统主要包括燃油发动机系统、燃油系统、滑油系统、传动系统等。第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成2.燃油系统1)储储存存：根据无人机的用途和续航里程等选择足够容量的燃油箱，储存燃油。2)供油供油
5、：将燃油箱的燃油通过油泵、输油管路安全可靠地定时定量地供给发动机。3)调调整整：调整无人机整体机身重心位置，保证无人机平衡和机体结构受力均衡。4)冷却冷却：为发动机滑油、液压油提供冷却装置。（1）燃油系统的作用第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成2.燃油系统1）燃油箱）燃油箱：根据无人机的用途和续航里程等选择足够容量的分为软油箱、硬油箱、整体油箱。燃油箱要有足够的容量，保证发动机正常工作时的油耗。为提高燃油清洁性，可加装油滤，过滤燃油中的杂质。，储存燃油。2）输输油管路油管路：分为串联和并联。输油管路连接了燃油箱与发动机之间、燃油箱与燃油箱之间，确保供油通畅。3）燃油增）燃油
6、增压泵压泵：为了保持燃油箱内的油面压力大于燃油的饱和蒸气压，确保燃油顺利地进入发动机内部，完成能量转化任务。4）防火开关）防火开关 ：设置在燃油泵之前，当发动机发生故障着火时，通过电气控制自动关闭开关，停止供油，防止火势蔓延。（2）燃油系统的组成5）放油开关）放油开关：在更换油箱或油泵时，通过放油开关放尽油泵里残余的燃油。6）燃油控制系）燃油控制系统统：包含计算系统和计量系统，根据不同的飞行参数准确控制供油量。第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成3.滑油系统1）润润滑滑：通过在各活动部件金属表面形成一层薄薄的油膜，实现减小摩擦的目的。2）冷却）冷却：滑油流过各个部件，带走各部
7、件摩擦产生的一定热量，实现冷却部件的功能。3）清）清洁洁：滑油流过各活动部件，带走磨损产生的金属微粒，通过滑油滤将固液分开，实现清洁的效果。4）防腐）防腐：油膜将各活动部件与空气隔开，从而防止金属表面氧化和腐蚀。（1）滑油系统的作用 发动机内部各活动部件高速运转，相对运动产生摩擦阻力，这样不仅增加了燃油的消耗，而且缩短了各零件的寿命。为了减少摩擦，需要提供一定压力、一定温度且清洁的润滑油。滑油系统的主要作用是润滑、冷却、清洁和防腐。第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成3.滑油系统1）滑油箱）滑油箱 ：储存滑油，其油箱大小需要考虑滑油量、滑油膨胀及混合空气总体积。2）滑油）滑油
8、泵泵：分为供油泵和回油泵，目的是使滑油能够在油路及各部件中循环流动。4）磁屑探）磁屑探测测器器：安装在回油路中，用来集中化油中带有磁性的杂质。5）滑油散）滑油散热热器器：冷却滑油，确保滑油在合适的温度下工作。（2）滑油系统的组成3）滑油）滑油滤滤：清洁滑油，过滤滑油中的金属屑及杂质。6）油气分离器）油气分离器：分离滑油和空气，提高滑油利用率。第三章动力系统概述3.1.2 燃油类发动机动力系统组成4.传动系统将发动机的动力输出按一定的功率和转速传递到旋翼，驱动旋翼正常旋转。1）主减速器）主减速器多个齿轮组合构成轮系，实现多级减速增加扭矩，将发动机的高速输出降低到旋翼所需的低转速。4）离合器）离合
9、器用来接通或切断发动机的动力输出。3）传动轴传动轴与与联轴节联轴节传动轴只用来传递扭矩，联轴节使传动轴实现补偿水平位移、垂直位移和角度位移。（1）传动系统的作用（2）传动系统的组成2）中）中间间减速器减速器采用锥齿轮，改变速度和功率的输出方向。5）旋翼刹）旋翼刹车车发动机停车后，可以使旋翼较快地停止转动，避免出现安全事故。第三章动力系统概述3.1.3 发动机的种类1.按能量来源分类图 3-3 无人机发动机类型第三章动力系统概述3.1.3 发动机的种类2.按推进动力产生原理分类按产生推进动力的原理不同，燃料发动机又可分为直接反作用力发动机和间接反作用力发动机两类。2）间间接反作用力接反作用力发动
10、发动机机由发动机带动飞机的螺旋桨旋转对空气作功，使空气加速向后(向下)流动时，空气对螺旋桨产生反作用力来推进无人机。这类发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨风扇发动机等。1）直接反作用力）直接反作用力发动发动机机是利用向后喷射高速气流而产生向前的反作用力来推进无人机。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机，这类发动机包括涡轮喷气式发动机。第三章动力系统概述3.1.4 发动机的功能和要求1.按能量来源分类发动机的基本功用是为无人机提供动力，以确保重于空气的无人机能够稳定、可控、可持续地在空中飞行。评定发动机品质的主要指标有性能参数、可靠性、耐久性等。其基本要求归结如下：5
11、.维维修方便修方便4.工作安全可靠、寿命工作安全可靠、寿命长长3.体体积积小小 2.耗能小耗能小 1.功率重量比大功率重量比大 第三章动力系统概述3.1.5 发动机的发展1.燃料发动机Q1Q2Q3以色列“侦察兵”无人机美国“捕食者”A以色列“苍鹭”美国BQM-34“火蜂”无人机.美国“捕食者”B“全球鹰”无人侦察机美国“柏修斯”B早期无人机的动力装置几乎全部采用活塞式发动机无人机发动机开始采用涡喷、蜗浆、涡轴和涡扇发动机高空长航时无人机技术的发展成熟也将成为人类航空史上的一个重要里程碑 1957 年“Radio Queen”无人机使用银-锌电池和永磁电机完成了首次飞行。在此之后，随着电动机技术
12、和蓄电池技术的不断发展，电动飞机便进入了持续快速发展阶段。该类无人机的主要代表机型有美国的“指针”和“龙眼”及中国大疆精灵等机型，电机为无刷电机。在民用和科学研究方面，小型电动无人机多采用无刷电机和空心杯电机。2.电动机第三章电动机3.2.1 有刷电机1.结构组成2)换换向极。向极。换向极安装在两主磁极间的中心线上，固定在机座上。由换向铁芯和换向绕组组成，其作用是产生换向磁场，改善电机的换向性能，防止产生电弧火花。1)主磁极。主磁极。主磁极由主极铁芯和主磁绕组（励磁绕组）组成，如图 3-6 所示。主磁极由薄钢板冲制而成，励磁绕组是用电磁线多层绕制并经绝缘处理后制成，套在主磁极铁芯上。给励磁绕组
13、通入直流电，在各主磁极都会产生一定磁性。3)电电刷装置。刷装置。电刷装置安装在电动机的前端盖上，是将电源引入直流电机的装置，它由电刷、刷握、刷杆、弹簧等组成，如图 3-7 所示。电刷放在刷握内，用弹簧压住，以保证电刷与换向片接触良好。其作用是接通外电路与电枢绕组，与换向器配合完成直流与交流的互换。（1）定子 定子的主要作用是产生磁场和机械支撑。由主磁极、换向磁极、机座、电刷装置等构成。第三章电动机3.2.1 有刷电机1.结构组成1)电电枢枢铁铁芯。芯。由 0.35-0.5mm 厚的硅钢片叠制而成，片间绝缘。其主要作用是导磁和嵌放电枢绕组。（2）转子（电枢）转子的主要作用是子的主要作用是产生生电
14、磁磁转矩和感矩和感应电动势，它是能量，它是能量转换的的 关关键，由，由电枢枢铁芯、芯、电枢枢绕组、换向器和向器和转轴等等组成。成。2)电电枢枢绕组绕组。用导线在模具上绕成绕组后嵌放在铁芯表面槽中，每个绕组的两端分别和两个换向片连接。其主要作用是产生感应电动势，通过电流产生电磁转矩，传送电磁功率，实现电能和机械能之间的转换。3)换换向器。向器。由绝缘材料相隔的铜片做成，并固定在轴上。其主要作用是将外部的直流电换成绕组内的交流电。第三章电动机3.2.1 有刷电机1.结构组成（3）气隙 气隙是指定子与转子之间的间隙。气隙的大小决定了磁通量的大小。若气隙较大，漏磁较多，电机的效率降低；若气隙较小，易扫
15、定子膛。所以，气隙要控制在合理的范围，电机工作才能达到最佳效果。小容量的电机，气隙一般为 0.5-3 mm；大容量的电机，气隙一般为 10-12 mm。第三章电动机3.2.1 有刷电机2.工作原理 图 3-8 为直流有刷电动机模型，将电刷 A、B 接到直流电源上，电刷 A 接正极，电刷B 接负极，此时电枢绕组中将有电流通过。在 NS 磁场的作用下，根据左手定则导体 ab 受力方向从右向左，导体 cd 受力方向从左向右，这样形成了逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。当电枢旋转到如图 3-9 所示位置时，导体 ab 转到 S 极，受力方向从左向右，导体 cd转到
16、N 极，受力方向从右向左，该电磁力形成电磁转矩依然是逆时针，线圈在该电磁转矩的作用下继续逆时针旋转。通过电刷将直流电加到电动换向器上，换向器与电枢绕组相连，电枢中有电流流过，电枢电流受磁场作用力而使得电枢转动。由于电刷与换向器的作用，每一极性下的导体中的电流方向始终不变，产生单方向的电磁转矩，使电枢向一个方向旋转，这就是直流有刷电动机的基本工作原理。第三章电动机3.2.1 有刷电机3.调速方式 直流有刷电机的调速方法是变压调速，具体是调整电机供电电源电压的高低，调整后的电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场的强弱，达到改变转速的目的。4.指标参数 每台直流电机的机座外表面上都钉有一
17、块铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据，例如额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、励磁方式、额定励磁电流。有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。第三章电动机3.2.1 有刷电机5.型号(1)产产品代号品代号 Z3Z 代表直流电动机，3 代表设计序号，即第三次设计序列直流有刷直流有刷电动机型号机型号编码一般包含四个部分：一般包含四个部分：产品代号、品代号、规格代号、特殊格代号、特殊环境代号、境代号、补充代号。充代号。(2)规规格代号格代号 主要用中心高、机座长度、铁芯长度、极数来表示。a.
18、中心高指由电机轴心到机座底脚面的高度，单位为 mm。b.机座长度用国际通用字母表示，S短机座、M中机座、L长机座。c.铁芯长度用阿拉伯数字 1、2、3、4由短至长分别表示。d.极数分为 2 极、4 级、6 级、8 级等。(3)特殊特殊环环境代号境代号一般用汉语拼音的首字母表示，例如高原（G）、户外（W）等。4)补补充代号充代号仅适用于由补充要求等电机。例如：Z4-200-2 是指第四次设计的直流有刷电动机，其电机中心高是 200mm，电枢铁芯长度代号是 2。第三章电动机3.2.1 有刷电机6.优缺点1)磨磨损损大，大，维护难维护难2)发热发热大，寿命短大，寿命短3)效率低，效率低，输输出功率小
19、出功率小4)噪音高，干噪音高，干扰扰大大（1）优点 制造简单，成本低廉，并具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等优点。（2）缺点第三章电动机3.2.2 无刷电机1.结构组成直流无刷电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，其磁场来自电动机转子上的永磁铁。其主要结构是电子开关线路、永磁同步电动机主体和位置检测装置三部分。在结构上，与直流有刷电动机的区别见表3-1。第三章电动机3.2.2 无刷电机1.结构组成根据位置检测装置反馈的信号触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动，如图3-10 所示。（1）电子开关线路（2）永磁同步电动机主体1)转转子子3)位
20、置位置检测检测装置装置2)定子定子第三章电动机3.2.2 无刷电机2.分类1)有感无刷有感无刷电动电动机机2)无感无刷无感无刷电动电动机机（1）根据换相方式分类（2）根据永磁体的安装位置分类1)凸极式凸极式瓦片形永磁体粘贴在转子铁芯外表面，如图 3-11a 所示。2)内嵌式内嵌式永磁体插入转子铁芯的沟槽中，又称隐极式，如图 3-11b 所示。第三章电动机3.2.2 无刷电机3.工作原理与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知，并利用其输出信号，通过电子开关
21、线路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流导通到相应的电枢绕组。随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。这就是无刷直流电动机电子换向的实质。第三章电动机3.2.2 无刷电机5.优点直流无刷电机调速过程是电机的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS 管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。总的来说，无刷电机加无刷电调相当于改善了整流子及电刷功能电机。（1）低干）低干扰扰（3）寿命）寿命长长（2）噪音低）噪
22、音低 4.调速方式（4）低）低维护维护成本成本通过比较可以发现，无刷电机许多性能优于有刷电机，但是有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段，这也极大促进了无人机的发展。第三章电动机3.2.3 空心杯电机1.结构组成该转子是直接采用导线绕制成的，没有任何其他的结构支撑这些绕线，绕线本身做成杯状，就构成了转子的结构。绕制的放式有叠绕和斜绕两种，如图3-14 所示。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，如图3-15 所示。无刷空心
23、杯定子无铁芯，如图3-16 所示。第三章电动机3.2.3 空心杯电机2.工作原理无刷空心杯电机由一个三相空心杯绕组、一个稀土永磁性材料制成的磁缸以及无传感器的电子换向电路组成。与普通无刷电动机原理相似，通过反电动势进行检测和处理，来确定转子相对绕组产生的旋转磁场的位置。旋转的磁缸和磁通回路，使漏磁减少，所以电机的效率高。3.特点（1）运行稳定可靠（3）电磁干扰少（2）效率高（4）操控性好（5）能量密度大第三章电动机3.2.3 空心杯电机4.应用随着工业技术进步，各种机电设备严格的技术条件对伺服电动机提出越来越高的技术要求，同时，目前空心杯电动机的应用范围已经完全脱离了高端产品的局限性，正在迅速
24、地扩大在一般民用等低端产品上的应用范围，以广泛提升产品品质。据有关资料统计，在工业发达国家已经有100 多种民用产品上成熟应用了空心杯电动机。国内工业界对空心杯电动机的卓越性能尚没有充分认识，阻碍了许多领域机电产品的技术进步，严重影响了我们与国外同类产品的技术竞争力。国内开发的许多新产品，因电机性能不符合要求，其产品的整体水平始终与国外同类产品存在较大差距，限制了很多产品的开发与发展，比如医疗器械、义肢、机器人、摄像机、照相机和一些特殊领域，甚至在纺织机械、激光测量仪器等方面都存在这种现象。但是，空心杯电动机的生产，由于其工艺复杂，生产自动化程度远不如铁芯电动机，导致其生产成本高，劳动力成本高
25、，而且对操作者的技能水平要求高。给大规模生产带来很多困难和限制。我国对空心杯电动机的开发研制工作已有二三十年的历史，但直到近年才得到了较快发展，不但在国内市场替代进口产品，而且已有企业开始参与国际市场的竞争。第三章电动机3.2.3 空心杯电机4.应用随着工业技术进步，各种机电设备严格的技术条件对伺服电动机提出越来越高的技术要求，同时，目前空心杯电动机的应用范围已经完全脱离了高端产品的局限性，正在迅速地扩大在一般民用等低端产品上的应用范围，以广泛提升产品品质。据有关资料统计，在工业发达国家已经有100 多种民用产品上成熟应用了空心杯电动机。国内工业界对空心杯电动机的卓越性能尚没有充分认识，阻碍了
26、许多领域机电产品的技术进步，严重影响了我们与国外同类产品的技术竞争力。国内开发的许多新产品，因电机性能不符合要求，其产品的整体水平始终与国外同类产品存在较大差距，限制了很多产品的开发与发展，比如医疗器械、义肢、机器人、摄像机、照相机和一些特殊领域，甚至在纺织机械、激光测量仪器等方面都存在这种现象。但是，空心杯电动机的生产，由于其工艺复杂，生产自动化程度远不如铁芯电动机，导致其生产成本高，劳动力成本高，而且对操作者的技能水平要求高。给大规模生产带来很多困难和限制。我国对空心杯电动机的开发研制工作已有二三十年的历史，但直到近年才得到了较快发展，不但在国内市场替代进口产品，而且已有企业开始参与国际市
27、场的竞争。第三章活塞式发动机3.4.1 活塞式发动机的类型与结构1.类型1)往复活塞式发动机1)汽化式发动机2)旋转活塞式发动机2)直接喷射式发动机1)气冷式发动机（1）按活塞运）按活塞运动动方式划分方式划分（3）按）按发动发动机冷却方式划分机冷却方式划分（2）按混合气形成方式划分）按混合气形成方式划分2)水冷式发动机（4）按空气）按空气进进入气缸前是否增入气缸前是否增压压划分划分1)增压式发动机2)自然吸气时发动机1)直列式发动机（5）按气缸排列方式划分）按气缸排列方式划分2)星形式发动机（6）按是否安装减速器划分）按是否安装减速器划分1)直接驱动式发动机2)间接驱动式发动机第三章活塞式发动
28、机3.4.1 活塞式发动机的类型与结构2.活塞发动机结构组成航空活塞式发动机与汽车发动机有很多相同点，但不尽相同。它是一种通过燃料燃烧做功推动曲轴运动，将热能转换机械能的四冲程、电点火的汽油发动机。其主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成，如图3-20 所示。第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（1）活塞往复运活塞往复运动特殊位置特殊位置 活塞在气缸中作往复运动完成混合气体的热循环过程中，涉及几个特殊位置和相关概念（图3-27）。1)上死点上死点指活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远
29、的极限位置。2)下死点下死点指活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置3)活塞行程活塞行程指活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下死点之间的距离称为活塞行程。一般用 s 表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转 180。4)曲臂半径曲臂半径指曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用 R 表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即 S=2R。第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（1）活塞往复运活塞往复运动特殊位置特殊位置 活塞在气缸中作往复运动完成混合气体的热循环过程中，涉及几个特殊位置和相关概
30、念（图3-27）。5)气缸工作容气缸工作容积积活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为气缸工作容积，一般用 Vh表示。6)燃燃烧烧室容室容积积活塞位于上死点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为燃烧室容积，一般用 Vc表示。7)气缸气缸总总容容积积活塞位于下死点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积。一般用 Va 表示，显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即 VaVcVh第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（2）往复式活塞往复式活塞发动机工作机工作过程程 往复式活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸
31、内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，如图3-28 所示。在这个四个冲程中，活塞上下往返运动两次，曲轴旋转两周。1)进进气冲程气冲程 发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”。在进气行程中，排气门始终关闭，活塞在上死点时进气门打开。因此，当活塞从上死点向下死点移动时，气缸内容积扩大，压力减小，在气缸内外压力差的作用下，混合气经过进气门进入气缸。活塞到达下死点，进气门关闭，不再进气，于是进气行程结束。混合气体中汽油和空气的比例，一般是 1:15 即燃烧一 kg 的汽油需要 15kg 的空气。2)压缩压缩冲程冲程 进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程”。这时曲轴靠惯
32、性作用继续旋转，把活塞由下死点向上推动。这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐减少，混合气体受到活塞的强烈压缩。当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之间的小空间内。这个小空间叫作“燃烧室”。这时混合气体的压强加到十个大气压。温度也增加到 400左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量，使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的做功能力。当活塞处于下死点时，气缸内的容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室的容积）。混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量。这个比值叫“压缩比”。活塞航空发动机的压缩比大约是 5 到 8，压
33、缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功率也就越大。第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（2）往复式活塞往复式活塞发动机工作机工作过程程 往复式活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，如图3-28 所示。在这个四个冲程中，活塞上下往返运动两次，曲轴旋转两周。3)做功冲程做功冲程压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时，气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约 0.015 秒；但是速度很快
34、，大约达到 30m/s。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达 60 到 75 个大气压，燃烧气体的温度可达 20002500。燃烧时，局部温度可能达到 3000 4000，燃气加到活塞上的冲击力可达 15t。活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动，推动连杆向下，连杆便带动曲轴转起来了。4)排气冲程排气冲程第四个冲程是“排气冲程”。工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死点向上运动。这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后的废气便通过排气门向外排出。当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭，进气门打开，活塞又由上死点下行，开始了新的一次循环。第三章活塞式发动机3.
35、4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（3）往复活塞式往复活塞式发动机工作中几个特殊角机工作中几个特殊角 在往复活塞式发动机的四个冲程工作过程中，进气门和排气门以及点火系统与活塞往复运动相配合，实现可燃混合气体的最大效率的能量转换。那么就有四个角的大小直接影响了气体的燃烧效率：第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（3）往复活塞式往复活塞式发动机工作中几个特殊角机工作中几个特殊角 在往复活塞式发动机的四个冲程工作过程中，进气门和排气门以及点火系统与活塞往复运动相配合，实现可燃混合气体的最大效率的能量转换。那么就有四个角的大小直接影响了气体的燃烧效率
36、：2)点火提前角点火提前角 为了保证燃气最大压力值出现在曲轴转过上死点后 1015，以获得近可能大的发动机功率，就必须使发动机点火提前。所以，在压缩行程的末期，活塞尚未到达上死点时，电嘴就跳火点燃混合气，这叫做发动机提前点火。点火提前角是电嘴刚跳火时，曲柄与气缸中心线之间的夹角，一般为 2035。提前点火角过大时，气缸内气体的压力和温度升高的过早，活塞压缩气体所消耗的功将增大;同时燃气向外放出的热量增多，致使气体膨胀过程所作的功减小，这些都会减小发动机的输出功率；还容易发生爆震，严重时由于在压缩过程的后期，作用于活塞上的压力太大还会使曲轴发生倒转。提前点火角过 h，气缸内燃气的最高压力出现的晚
37、，数值也将减小，这也会使发动机输出的功率减小。第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（3）往复活塞式往复活塞式发动机工作中几个特殊角机工作中几个特殊角 在往复活塞式发动机的四个冲程工作过程中，进气门和排气门以及点火系统与活塞往复运动相配合，实现可燃混合气体的最大效率的能量转换。那么就有四个角的大小直接影响了气体的燃烧效率：第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（3）往复活塞式往复活塞式发动机工作中几个特殊角机工作中几个特殊角 在往复活塞式发动机的四个冲程工作过程中，进气门和排气门以及点火系统与活塞往复运动相配合，实现可燃混合气
38、体的最大效率的能量转换。那么就有四个角的大小直接影响了气体的燃烧效率：4)气气门门同开角同开角进气门和排气门同为打开状态，曲轴旋转的角度叫气门同开角或叫气门重叠。同开角等于进气门早开角与排气门晚关角之和，即同开角，约为4080。气门同开可以增加进入气缸新鲜混合气的充填量提高发动机的容积效率，增大发动机的输出功率，也有利于气缸的冷却。第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统1.工作原理（4）旋旋转活塞式活塞式发动机工作机工作过程程 旋转活塞式发动机又称为转子发动机，由德国人菲加士汪克尔（Felix Wankel，1902-1988）所发明，他在总结前人的研究成果的基础上，解决
39、了一些关键技术问题，成功研制了第一台转子发动机。1)旋旋转转活塞活塞发动发动机基本机基本结结构构旋转活塞式发动机主要是由转子、子、转子室、密封子室、密封环、火花塞、偏心、火花塞、偏心轴、缸体、缸体组成。2)旋旋转转活塞式活塞式发动发动机工作原理机工作原理旋转活塞式发动机与往复活塞式发动机一样，整个工作过程分为四个冲程进气冲称、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，如图3-30 所示。但是，旋转活塞式采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的往复活塞式发动机的直线运动迥然不同。3)旋旋转转活塞式活塞式发动发动机特点机特点a.小型轻量b.扭矩输出平顺c.振动噪音低d.构造简单e.可靠性和耐用性高f.易
40、漏气g.油耗高h.维修复杂第三章活塞式发动机3.4.2 活塞式发动机工作原理及辅助系统2.辅助系统（1）燃油系）燃油系统统（2）点火系）点火系统统（3）起）起动动系系统统（4）润润滑系滑系统统（5）冷却系）冷却系统统第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机1.结构组成涡轮喷气发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管和其他辅助系统组成，如图3-31 所示。（1）进进气道气道进气道相当于人体的呼吸系统，主要作用是在各种工作状态下，能够将 足够量的高品质空气，以最小的流动损失，引入压气机。按速度大小分为亚音速（低于标 准声速 340m/s）进气道和超音速（高于标准声速 340m/s）进气道
41、。超音速进气道又分为内压式、外压式、混合式三种，如图 4-32 所示。第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机1.结构组成（2）压压气机气机 压气机是涡喷发动机的重要组成部件之一。其主要作用是通过高速旋转的叶片对空气做功，压缩空气，提高空气压力，为后续混合可燃气体燃烧创造有利条件，提高发动机的经济性，增加其推力。压气机按其结构可分为离心式和轴流式两种。离心式压气机它由进气系统、叶轮、扩压器和集气管四部分组成，如图 3-33 所示。压气机通过中间轴与涡轮相连接。离心式压气机中空气流动是轴向进气，径向排气，增压原理为离心增压。轴流式压气机由转子叶片、静子叶片、固定盘、旋转轴、机匣组成，如图 3-
42、34 所示。其中转子叶片在前，静子叶片在后。在轴流式压气机中，空气沿轴向流动，轴向进气、排气。动叶做功增速，同时靠扩张叶栅通道降低相对速度，增加压力；静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道二次减速增压。同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下一级做准备。第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机1.结构组成（3）燃）燃烧烧室室 燃烧室是发动机的重要部件之一，是能量转换器。燃烧室位于压气机和涡轮之间，其主要作用是高压空气和燃油充分混合后燃烧，将可燃混合气体的化学能转化为热能，产生高温高压的燃气。燃烧室的效果很大程度上决定了发动机的可靠性、经济性和寿命长短。燃烧室完成了将可燃
43、混合气体的化学能向热能之间的转换，其工作特点是：进口气流速度大；燃烧室容积小（热强度大）；工作温度高（2500K）；出口气流温度受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高；进口参数变化大。组成燃烧室主要元件是扩压器、喷油嘴、火焰筒、旋流器、点火器、联焰管，如图 3-35所示。燃烧室按位置分可分为主燃烧室和加力燃烧室。燃烧室按结构形式可分为单管燃烧室、联管燃烧室和环形燃烧室三种。第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机1.结构组成（4）涡轮涡轮 涡轮是涡轮发动机的重要组成部分，安装在燃烧室之后，将可燃混合气体的热能转换为机械能并对外输出做功，带动压气机（风扇）、螺旋桨、旋翼（尾桨）等工作。高温、高压
44、、高速、高能的气体流入涡轮，涡轮承载高达 1600K1950K 的高温热负荷、高速转动的离心负荷和轴负荷以及高气动负荷。涡轮在结构上由静子导向器和动子工作叶轮组成（图 3-39），与压气机不同的是，在涡轮中静子导向器在前，工作叶轮在后。导向器又称涡轮喷嘴环，燃气在涡轮喷嘴环内气流速度增加，压力下降，并改变流动方向，来满足工作叶轮进口处对气流方向的要求，将压力位能和热能转变为动能，总压下降，总温不变。工作叶轮的工作叶片间的通道是收敛形的，燃气流过工作叶轮叶片通道时，相对速度增大，方向改变，压力降低，温度降低，推动工作叶轮高速旋转，向外输出功，使绝对速度减小，将热能转变为功，总压、总温都下降。第三
45、章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机1.结构组成（5）尾）尾喷喷管管 尾喷管属于涡轮喷气系统的排气系统的一部分。其主要作用是将从涡轮流出的燃气膨胀加速，将燃气部分的焓变成动能，提高燃气的速度，使燃气高速排出，产生较大的推力；通过调节喷管临界截面积改变气流在涡轮和尾喷管中膨胀比的分配，进而改变发动机的状态并推力换向；消音装置有助于减少噪音和红外辐射。根据尾喷管出口气流喷射速度的不同，可以分为亚声速喷管和超声速喷管两类。亚声速喷管为收敛型喷管，超声速喷管为收敛-扩张型喷管，如图 3-40 所示。无人机多为收敛型喷管，收敛型尾喷管结构简单、重量轻，在可用压力比小于 5.0 的范围具有较好的性能。第
46、三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机2.工作原理通过进气道流入大量新鲜高质的空气。第一步，吸气第一步，吸气通过压气机提高吸入的空气的的压力。叶片转动对气流做功，使气流的压力、温度升高。为下一步燃烧奠定能量基础。第二步，第二步，压缩大量高压空气流进入燃烧室，随后喷油嘴喷射雾化良好的燃油，与空气充分混合后点火，燃烧释放高温高压燃气，向后排出第三步，燃第三步，燃烧做功做功从高温涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从尾部喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，从而产生了对发动机的反作用推力，推动飞机向前飞行。第四步，排气第四步，排气 涡轮喷气发动机工作同样经过进气、压缩
47、、做功、排气 4 个冲程，与活塞式发动机不同的是涡轮喷气式发动机的 4 个冲程是连续的。第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机3.转子支承方案 在涡轮喷气发动机中，发动机转子（压气机、涡轮）通过支承结构支承在发动机的机匣上转子上承受的各种负荷（如气体轴向力、重力、惯性力及惯性力矩等）由支承结构承受并传至发动机机匣上，最后由机匣通过安装节传至无人机构件中。在发动机中，转子采用几个支承结构（支点），安排在何处，称为转子支承方案。常用的支承方式有四点式、三点式和两点式，如图 3-413-43 所示。在研究转子支承方案时，均将复杂的转子简化成能表征其特点的转子支承方案简图，在简图中小圆圈表示滚珠轴
48、承，小方块表示滚棒轴承。具体代号表示为 1-3-0（图 3-41），其中前后两条横线分别表示压气机转子和涡轮转子，数字表示支点数目。例如，1-3-0 代表压气机转子前有一个支点，涡轮转子后无支点，压气机与涡轮转子间有三个支点，整个转子共支承于四个支点上。以简单的单转子支承方案为例，学习不同的支承方案。在 1-3-0 这种支承方案中，涡轮转子和压气机转子间的联轴器仅传递扭矩，考虑到两个转子的四个支点很难保证同心，因此采用了浮动套齿的联轴器结构。第三章涡轮发动机3.5.1 涡轮喷气发动机4.性能参数（3-1）（3-2）（3-3）第三章涡轮发动机3.5.2 涡轮螺旋桨发动机1.涡轮螺旋桨发动机结构特
49、点及分类涡轮螺旋桨发动机除了涡喷发动机的基本五大结构，还包括两个部分螺旋桨和减速器，如图 3-44 所示。涡桨发动机按其传动系统分为三种单轴式、自由涡轮双轴式和双轴式，如图 3-45 所示。（1）单轴式单轴式涡浆是压气机和螺旋桨用一根轴带动即动力涡轮与驱动压气机的涡轮装在同一轴上,它的结构简单,但在起动过程中和慢车转速下燃气的温度较高,小功率时耗油率较高。（2）自由涡轮双轴式自由涡轮双轴式涡浆是一个涡轮轴带动部分级压气机，第二根涡轮轴带动其余级压气机和螺旋桨,这种渴浆发动机比单轴渴轮螺旋桨发动机的起动性能和工作性能好，小功率时耗油率低，但结构较复杂。（3）双轴式双轴式涡桨是一个涡轮带动压气机，
50、一个涡轮带动螺旋桨，采用两个单独的涡轮会使发动机构造复杂，但可以分别调节压气机和螺旋桨的转速。第三章涡轮发动机3.5.2 涡轮螺旋桨发动机2.涡轮螺旋桨发动机工作过程及特点 涡桨发动机的工作过程基本与涡喷发动机一致，但稍有不同。空气通过进气道进入发动机，压气机将空气压缩，高压空气进入燃烧室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膨胀，推动涡轮旋转带动压力机和螺旋桨，大量空气流过螺旋桨，其速度增加使螺旋桨产生很大拉力。涡轮输出的功率大于压气机所消耗的功率，余下部分传给螺旋桨。涡桨发动机的总推力由两部分组成，螺旋桨产生的拉力，占 85%90%；喷气产生反作用推力，占 1