涡轴发动机的热力循环分析.ppt

涡轴发动机的热力循环 2020 1 1 2 循环的理想化条件 为什么进行理想化假设 假设条件假设工质完成的是一个封闭的热力循环假设循环过程是定熵过程燃烧室定压加热过程的假设忽略qmf 假设气体为定质量的定比热容的完全气体 2020 1 1 航空发动机原理 3 布莱顿或定压加热循环 布莱顿或定压加热循环定义循环组成 定熵压缩过程 定压加热过程 定熵膨胀过程 定压放热过程 布莱顿循环p v图 2020 1 1 4 布莱顿循环的p v图和T s图 布莱顿循环的p v图过程含义0 1 线1 2 线2 3 线3 4 线4 5线 布莱顿循环p v图 2020 1 1 5 布莱顿循环的热效率 布莱顿循环的热效率热效率的定义 其中 问题 问什么W0 Q1 Q2 2020 1 1 6 代入热效率公式 对于定比热容的完全气体有 对于定熵过程0 2 有 对于定熵过程3 5 有 2020 1 1 7 引入反映循环特性的参数 增压比进气道的冲压比 压气机的增压比 所以即 循环的增压比等于进气道的冲压比与压气机的增压比的乘积 2020 1 1 8 热效率推导 所以 燃气涡轮喷气发动机理想循环的热效率取决于发动机的增压比和工质的热容比 2020 1 1 9 在一定的情况下 取决于空气在压缩过程中压力提高的程度发动机的增压比愈大 则热效率愈高 图2 10热效率随发动机增压比的变化 2020 1 1 10 理想循环功 W的推导计算 2020 1 1 11 其中 故 理想循环功取决于加热比 和增压比 2020 1 1 12 图形分析增压比一定 加热比愈大 循环功愈大 最佳增压比的定义 图2 11理想循环功与增压比的关系 2020 1 1 13 当实际加热比为5 6时 opt 16 30最大理想循环功为仅取决于加热比 2020 1 1 14 实际循环 理想条件下理想循环中认为压缩与膨胀过程都是定熵过程 没有考虑流动损失在整个循环过程中 气体的成分和热容比均不变 实际条件下存在着流动损失气体的成分发生了变化 热容比也随着气体成分和温度的变化而变化 2020 1 1 15 实际循环处理方法 在理想循环的基础上作如下处理 整个压缩过程 0 2 是绝热的多变过程 在整个膨胀过程 3 5 是绝热的多变过程 燃烧过程按照等压过程处理 损失折算到膨胀过程中 用膨胀效率体现 2020 1 1 16 实际循环指示功和有效功 指示功 循环包围的面积有效功 轴功和动能变化对于实际循环 指示功和有效功是不相等的 2020 1 1 17 实际循环指示功和有效功 用伯努利方程推导指示功和有效功之间关系 2020 1 1 18 实际循环功 循环功等于绝热膨胀过程中的技术功减去绝热压缩过程中的技术功燃气由经绝热多变膨胀过程到所作的技术功为 落压比等于增压比 2020 1 1 19 将空气由经绝热多变压缩过程到所需的技术功为 所以 实际循环功为 2020 1 1 20 a取决于增压比 变化范围较小 在1 02与1 05之间 可以取常数取决于涡轮前温度T3 2020 1 1 21 实际循环功影响参数 加热比增压比压缩效率膨胀效率 图2 13实际循环功随增压比的变化曲线 实线 理想循环 虚线 2020 1 1 22 实际循环的最佳增压比定义计算公式影响参数压气机的最佳增压比由可得 2020 1 1 23 热效率 计算 2020 1 1 24 实际循环热效率的因素 加热比增压比压气机效率和涡轮效率最经济增压比 eco定义 图2 14热效率实线 实际 虚线 理想 2020 1 1 25 为什么 eco opt当 opt后 随着 的增大 热效率 t仍缓慢上升直到 eco后 随着 的增大 最经济增压比 eco大于最佳增压比 opt 图2 15换算功和热量随增压比变化 2020 1 1 26 喷气发动机的推力 2 4 1推力的产生推力的定义推力是合力推力的分布 图2 16推力的分布 2020 1 1 27 推力的计算公式推力计算推导控制体的选取动量方程气体为研究对象简化条件假设进气道的流量系数 i等于1 即发动机外表面的压力均等于外界大气压气体流经发动机外表面时没有摩擦阻力 2020 1 1 28 动量方程 向后方向为正 对气体的作用力 0 0截面 用0 0截面代替01 01截面 5 5截面0 5内壁对气体的作用力为所以 2020 1 1 29 发动机内壁对气体向后的作用力 设Fin气体作用在发动机内壁上的力 则Fin与fin大小相等 方向相反 故 作用在发动机外表面上的轴向力Fout 设方向向前 则 2020 1 1 30 发动机的推力F为 当发动机喷管处于完全膨胀p5 p0时 且忽略燃油质量qmf时 则 地面工作时 V 则 2020 1 1 31 用气动函数表示的推力公式 气动函数f 的定义将该式代入推力公式在地面工作时 V 当喷管处于临界或超临界时 F的计算方法 2020 1 1 32 假设忽略了三方面的阻力附加阻力Xd摩擦阻力Xf波阻Xp发动机的有效推力Fef的计算 2020 1 1 33 喷气发动机的效率 发动机中的能量方程考虑到 并略去差别发动机的热效率 前面提到的循环热效率为理想情况 为 2020 1 1 34 热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失发动机排出的燃气所带走的焓 约为55 75 燃油在燃烧室中不完全燃烧的损失通过发动机壁面向外散失的热量后两项约为3 4 涡轮喷气发动机的热效率约为25 40 2020 1 1 35 推进效率 定义推进效率是发动机完成的推进功率与单位时间发动机从热力循环中获得的循环功 可用能量 这里为气体动能 的比值推进功率FV Vqm V5 V 单位时间循环功推进效率 2020 1 1 36 p分析 取决于 越大 越低V5 V时 p 1 0 F 0V 时 p 在飞行中 只要发动机的推力不为零 推进效率总小于 能量分析 离速损