第6次课进气道(1)

第五章进气道,定义狭义：从飞机或发动机短舱进口到压气机进口的一段管道（对于涡喷发动机）短舱进口到风扇进口（对于涡扇发动机）广义：指进气系统，除了上述管道之外，还包括防喘装置、附面层吸除装置、自动控制装置、防止外来物进入的防护装置等本课程中所指的一般为进气系统,5.1概述,5.1概述,进气道的功用在各种状态下,将足够量的空气,以最小的流动损失,顺利地引入压气机，并在压气机进口形成均匀的流场以避免压气机叶片的振动和压气机失速;当飞行马赫数大于压气机进口处的气流马赫数时,通过冲压压缩空气,提高空气的压力。涡轮喷气发动机的进气道分类亚音速进气道主要用于民用航空发动机，而且为单状态飞机大多采用扩张形、几何不可调的亚音速进气道超音速进气道可分为内压式、外压式和混合式三种,5.1概述,对进气道最基本性能要求是：飞机在任何飞行状态以及发动机在任何工作状态下，进气道都能以最小的总压损失满足发动机对空气流量的要求。损失越小，发动机的增压比越高，推力越大；而外部阻力小则会直接增大发动机的有效推力。使气流以均匀的速度和压力进入压气机。从而保持压气机有较高的效率和工作稳定。在各种非设计状态和较大的工作范围内保证稳定工作，尤其对超声速进气道。,5.1概述,1、空气流量qm：每秒中流过进气道的空气质量。计算公式影响因素大气密度,飞行速度V和压气机的转速n大气密度越高,进入发动机的空气流量越多大气密度受大气温度和飞行高度H的影响飞行速度V越大,则进入发动机的空气流量也越多压气机转速n越高,进入发动机的空气流量越多压气机的转速n将影响压气机进口处气流参数及进气道前方气流的流动状况。,性能参数,性能参数2、总压恢复系数（掌握）,5.1概述,总压恢复系数是描述气流经过进气道时流动损失大小的指标。由于气流流过进气道时总会有各种原因引起的能量损失，所以，总压恢复系数总小于1。,性能参数3、冲压比（掌握）影响冲压比的因素有3个：流动损失、飞行速度、大气温度。,5.1概述,性能参数4、畸变指数流场出口截面中最高总压和最低总压之差与最高总压之比叫畸变指数。它是描述进气道出口气流分布状态的参数。畸变指数越小，说明出口流场越均匀。5、流量系数（了解）,5.1概述,5.1概述,性能参数(11km),5.1概述,性能参数(0km),5.2进气道工作原理,(一)什么是动力压缩在飞行中，发动机前方的空气经进气道流过压气机(见图21)。进气道前方未受扰动气流的速度(即图上00截面处的气流速度)，与飞行速度大小相等，方向相反。空气流出进气道的速度(c1)就是压气机的进口气流速度。,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,5.2进气道工作原理,(一)什么是动力压缩在飞行速度大于压气机进口气流速度的情况下，空气流过进气道，流速减小，压力和温度升高，空气受到了压缩。空气由于本身速度降低而受到的压缩，叫做动力压缩。在飞行速度小于压气机进口气流速度的情况下，空气流过进气道时，流速增大，压力和温度降低，这时没有动力压缩。目前，飞机平飞时的速度，一般都大于压气机进口气流速度。因此，在飞行中空气流过进气道时，一般都受到动力压缩。,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,5.2进气道工作原理,(二)动力压缩器过程中的流动损失空气流经进气道时的流动损失，包括摩擦损失、分离损失和激波损失等三种。1.摩擦损失进气道内的摩擦损失是由于空气具有粘性，在管壁表面形成了附面层而产生的。摩擦损失的大小，除了取决于气流速度以外，还直接与进气道管壁的光滑程度有关。因此，机务人员应当重视进气道的维护工作，注意防止划伤进气道的表面，并且保持进气道的清洁，以免增大摩擦损失，使发动机推力减小。,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,5.2进气道工作原理,(二)动力压缩器过程中的流动损失2.分离损失分离损失主要是由于气流在进气道进口的流动方向与进气道前缘内壁的方向不一致而产生的。当进口的气流方向与进气道前缘内壁的方向不一致时，由于气流转弯时惯性离心力的作用(见图22)，,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,(二)动力压缩器过程中的流动损失,2.分离损失进气道前缘内壁附近的空气压力降低，在前缘内壁附近会出现与气流流动方向相反的压力差，发生分离现象，而造成气流分离损失。为了减小气流分离损失，进气道前缘应做成流线形，使气流逐渐地改变流动方向，避免产生严重的分离现象。,(二)动力压缩器过程中的流动损失,3.激波损失超声速气流流过激波后，虽压力升高，但气体受到猛烈撞击，速度突然减小，有一部分机械能转换成热能。所以，气体通过激波后，总压下降，这种由于激波而引起的总压损失叫激波损失。超音速飞行时，空气以超音速流向进气道。要把超音速气流变成亚音速气流，不可避免地要产生激波损失。在亚音速飞行中，由于亚音速进气道采用较厚的圆头流线前缘。当飞行速度较大时，便可能使前缘局部气流速度超过音速，从而引起局部激波损失。,(二)动力压缩器过程中的流动损失,3.激波损失激波损失的大小用激波后气体的总压与激波前气体总压的比值来表示。即“激波压力系数”。(51)激波压力系数越接近于1，激波损失越小；激波压力损失越小于1，激波损失越大。,(二)动力压缩器过程中的流动损失,摩擦损失、分离损失和激波损失的存在，使空气的一部分机械能不可逆地转换成热，因此，压气机进口空气总压小于进气道前方未扰动的空气总压。损失越大，压气机进口空气总压减小得越多。,5.2进气道工作原理,(三)冲压比和影响冲压比的因素1.冲压比动力压缩的程度，可以用冲压比表示。压缩器进口空气压力(p1)与大气压力(p0)的比值，叫做冲压比，用符号冲表示。即：(52)冲压比的大小，说明空气经过冲压压缩以后，压力提高的倍数。冲压比越大，表示空气被压缩得越厉害。,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,5.2进气道工作原理,(三)冲压比和影响冲压比的因素1.冲压比为了运算方便，也常用压缩器进口空气总压与大气压力的比值作为冲压比，用符号*冲表示，即：(53)用气体动力学的能量方程，可以推导出冲压比的公式如下。考虑到气体在进气道内的流动是绝能的，可以写出气体从00截面流到11截面的能量方程为(见图53)：,一、空气流经进气道时的动力压缩器过程,(三)冲压比和影响冲压比的因素,将上式等号的左边改用滞止参数，则上式变为：,用除上式得：,(1),(三)冲压比和影响冲压比的因素,绝热过程中，温度比和压力比的关系为：,把(1)式中的温度比换成压力比，就可以得到没有损失时的冲压比公式：,(三)冲压比和影响冲压比的因素,上式中，p1理*是没有流动损失时压缩器进口处的空气总压。由于,把上式中的飞行速度换成飞行M数，冲压比的公式还可以写成：,代入上式，得：,(54),(三)冲压比和影响冲压比的因素,2.影响冲压比的因素从公式(54)可以看出，影响冲压比的因素有飞行速度(V)、大气温度(T0)和流动损失。下面进行分析。(1)飞行速度大气温度不变时，飞行速度越大，空气流过进气道时速度降低得越多，有更多的动能用来提高空气的压力，所以飞行速度增大时冲压比增大。,(三)冲压比和影响冲压比的因素,2.影响冲压比的因素(1)飞行速度图24的曲线表示在没有流动损失的情况下。冲压比随飞行速度变化的情形。图上表明，飞行速度增大时，冲压比增大，而且飞行速度越大，冲压比增加得越快,(三)冲压比和影响冲压比的因素,2.影响冲压比的因素(2)大气温度飞行速度保持不变时，大气温度越低，空气越易于压缩，冲压比越大；反之，大气温度越高，冲压比越小。飞行高度变化时，冲压比是否变化，取决于大气温度的变化。在11000米高度以下，飞行高度升高时，大气温度降低，冲压比增大；在11000米高度以上，飞行高度改变时，大气温度保持不变，冲压比也就保持不变。,(三)冲压比和影响冲压比的因素,2.影响冲压比的因素(2)大气温度在没有流动损失的情况下，冲压比随飞行高度变化的情形，如图25的曲线所示。,(三)冲压比和影响冲压比的因素,2.影响冲压比的因素(3)流动损失动力压缩过程中的流动损失，使压缩器进口的空气总压小于没有流动损失时的空气总压，因此流动损失增大，冲压比减小。另外，有了流动损失，由于压缩器进口空气压力的降低，还会引起发动机的空气流量减小。冲压比和空气流量的减小，将导致发动机的推力减小。流动损失越大，发动机推力减小的越多。,亚音速进气道举例,5.3亚音速进气道,亚音速进气道举例,5.3亚音速进气道,5.3亚音速进气道,亚声速进气道是在亚声速和低超声速（Ma1.5）飞行范围内使用的进气道。亚音速进气道大致可分为收敛形和扩散形两种，进气道的形状不仅对内部流动损失有影响，而且对外部阻力也有很大影响。下面分析空气在收敛形和扩散形进气道内的流动情形。(一)空气流过收敛形进气道的情形飞行速度大于压缩器进口气流速度时，空气流过收敛形进气道的情形，如图26所示。,5.3亚音速进气道,(一)空气流过收敛形进气道的情形由于飞行速度大于压缩器进口气流速度，空气从未扰动的边界00截面开始，01段内进行动力压缩，流速减小，压力和温度相应地升高。,5.3亚音速进气道,(一)空气流过收敛形进气道的情形空气流入进气道以后，在收敛形管道中，速度略为增大，压力和温度略有降低。由于空气流入压缩器时的速度小于飞行速度，所以空气流入压缩器时的压力和温度比00截面处的空气压力和温度高。由此可见，在飞行速度大于压缩器进口气流速度的情况下，采用收敛形进气道，空气的动力压缩完全是在进气道前完成的。,5.3亚音速进气道,(一)空气流过收敛形进气道的情形飞行速度小于压缩器进口气流速度时，空气不受动力压缩，从00截面开始，在整个01段内，气流速度从飞行速度增大到压缩器进口气流速度，空气压力和温度则相应地降低，如图27所示。,5.3亚音速进气道,(二)空气流过扩散形进气道的情形飞行速度大于压缩器进口气流速度时，空气流过扩散进气道时的情形，如图28所示。由于进气道呈扩散形，空气在进气道前和进气道内，气流速度一直减小，从飞行速度逐渐减小到压缩器进口气流速度，压力和温度相应地升高。,5.3亚音速进气道,(二)空气流过扩散形进气道的情形由此可见，在飞行速度大于压缩器进口气流速度的情况下，空气流过扩散形进气道时，动力压缩不仅在进气道内进行，而且也在进气道前进行。在飞行速度小于压缩器进口气流速度的情况下，空气流过扩散形进气道时，从00截面开始，在01段内，由于压缩器的吸力作用，气流速度逐渐增大，压力和温度相应地降低；空气流入进气道以后，由于管道扩散，气流速度略为减小，压力和温度略有提高(见图29)。,5.3亚音速进气道,(二)空气流过扩散形进气道的情形然而，由于飞行速度小于压缩器进口气流速度，总的来说，空气流过进气道时，气流速度是增大的，压力和温度有所降低，所以在这种情况下也没有动力压缩。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较1.比较两种进气道内部流动损失大小空气流过扩散形进气道时，空气压力沿流动方向逐渐增大，存在着反压差，容易引起气流分离；而空气流过收敛形进气道时，空气压力沿流动方向逐渐减小，不存在反压差，气流不容易分离。其次当气流加速流向进气道时，对于收敛形进气道，由于气流在进气道前和进气道内都是加速流动，气流在进气道前缘内壁附近流动方向的转折较小，不容易在前缘内壁发生分离，即便发生分离，也由于气流在进气道内加速流动，分离区不会扩大，如图210a所示。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较1.比较两种进气道内部流动损失大小如果是扩散形进气道，由于气流在进气道前缘内壁附近流动方向的转折较大，容易发生分离，而且一旦发生分离，由于气流在进气道内作减速流动，分离迅速扩大，如图210b所示。由此可见，空气流过收敛形进气道时的流动损失比流过扩散形进气道时的小。此外，由于气流在收敛形进气道内作加速流动，压缩器进口气流速度分布也比较均匀。因此，从动力压缩的效果看，采用收敛形进气道比较有利。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较2.比较两种进气道外部阻力的大小在飞行速度比压缩器进口气流速度大得很多的情况下，收敛形进气道前空气的动力压缩程度很大，气流在进气道前缘外壁附近发生很大的转折(见图211)，因而产生严重的气流分离现象，使进气道外部阻力剧烈增大。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较2.比较两种进气道外部阻力的大小对于扩散形进气道，由于气流再在进气道内能够进行一定程度的动力压缩，进气道前动力压缩的程度减小，气流扩散的程度随着减小，所以在进气道前缘外壁附近不会发生严重的气流分离现象，外部阻力也就较小。因此，从外部阻力看，采用扩散形进气道比较有利。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较综上所述，收敛形进气道的内部流动损失较小，但在飞行速度比压缩器进口气流速度大得很多的情况下，外部阻力较大；扩散形进气道的外部阻力较小，但内部的流动损失较大，尤其在飞行速度较小的时候，在进气道前缘内壁附近气流容易分离，而且一旦发生了气流分离现象，分离区将迅速扩大，在这种情况下，内部流动损失更大。由此可见，收敛形进气道和扩散形进气道各有优缺点，究竟采用哪种为好，还必须根据具体情况作具体的分析。,5.3亚音速进气道,(三)两种进气道的比较根据大量实验材料得知，当飞行速度未超过压缩器进口气流速度的两