微型涡喷发动机2.doc

2微型涡喷发动机总体方案设计与结构分析2.1 微型涡喷发动机的工作原理微型涡喷发动机同大、中型涡轮喷气发动机一样，利用气体喷射产生推力。空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力、温度升高，并进入燃烧室与燃油混合形成燃油混合气被点燃燃烧膨胀，形成高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在涡轮喷气发动机中，气流在涡轮中膨胀所做的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后，涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比，涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力。（如图2.1）图2.1 单轴涡轮喷气发动机工作示意图2.2 微型涡喷发动机热力循环与流程2.2.1微型涡喷发动机理想循环 为了突出重要参数对实际循环性能的影响，必须先作如下假设：l 一空气作为循环工质，并视为理论气体，循环中其物理性质不变，比容为常数。l 不计工质更换、泄露损失，工质总量保持不变，忽略进、排气流动损失及其影响。l 将压气机中的气流压缩和涡轮中的燃气膨胀过程看成是完全理想的绝热定熵过程。l 分别用理想的加热与放热过程代替实际的燃烧与排气过程，并将机外的排气过程视为等压放热过程。在上述假设下，微型涡喷发动机的理论循环可以分成四个热力过程组成，如 图2.2 给出了微型涡喷发动机循环布置，图中C为压气机，B为燃烧室，T为涡轮。图2.3给出了理想燃气轮机循环的p-V图和T-S图(图中1、2、3、4不代表发动机的工作截面)。 现将各过程说明如下。 12为工质（空气）的定熵压缩过程。表示理想工质从大气状态1，以高速流入进气道时受到滞止而缠上的压力升高，再叠加熵空气进入压气机经过叶轮与扩压器的绝热压缩后达到的状态2. 23为等压加热过程。其工质被视为理想气体，实际循环中的高压空气与燃油混合、燃烧和放热过程被简化为理想工质在等压条件下工质加热，使工质在等压下，温度从T1升高到T2。34为定熵膨胀过程。表示理想气体在绝热条件下，即工质在涡轮和尾喷管中经定熵膨胀把热能转化为动能，变化为喷口状态4.41为等压放热过程。表示理想工质经喷口处的状态4等压地喷出高速气体，并在发动机外部完成了流向大气的理想的等压放热过程，重新回到状态1.图2.2 微型涡喷发动机循环布置图图2.3 微型涡喷发动机理想循环2.2.2涡喷发动机的实际循环 在理想涡喷发动机循环分析中，认为压缩与膨胀过程都是等熵的，没有考虑流动损失，并且认为整个循环过程中比热不变。在实际燃气轮机中气体的比热随着气体的成分和温度不断地发生变化，而且各个工作过程都存在着流动损失。因此为了便于工程参考和应用，必须进行考虑损失存在的实际循环分析。所谓流动损失，是指气流在流动过程中由于存在附面层、紊流流动或激波，使流动气流在静压不变的条件下降低了流速或者说降低了气流总压。在绝能流动中，气流总温不变。存在流动损失的绝热流动过程是熵增过程。如图2.4所示。现将实际循环说明如下：12为工质（空气）的压缩过程。表示理想工质在进气道和压气中的压缩过程不再是绝热定熵的，而是存在着各种不可逆损失的多变压缩过程。这一点，可以从12过程中熵s的增大得到了证明。 23为加热过程。表示实际加热过程由于存在各种流动损失、热损失以及经历着工质数量及成分的变化，加热过程很难保持在等压下进行。34为膨胀过程。表示实际循环的膨胀过程中，由于存在各种不可逆的热损失和功损失，膨胀过程不能在定熵条件下进行。因此，膨胀终了点4的熵值明显比点2的数值增大。41为等压放热过程。表示由于实际循环和理论循环都是在发动机外完成，不存在流动损失，因此定压放热过程是相同的。图2.4 微型涡喷发动机实际循环温熵图2.3总体性能参数设计方案2.3.1 微型涡喷发动机的设计参数微型涡喷发动机的主要设计参数是依据同类发动机的技术要求;经反复可行性研究最后确定如下性能参数:标定大气条件：l 大气压力1.013105Pa；l 大气温度293K；l 相对湿度60%。1) 主要热力循环参数：l 涡轮进气温度T3*=964K；l 压气机增压比k=2.15。 2)主要部件性能参数：l 压气机效率0.739；l 涡轮效率0.827；l 燃烧效率0.95；l 燃烧室总压恢复系数0.95。2.3.2 设计工况计算与结果本设计计算应用AsPenPlus软件搭建计算平台，按照给定的大气条件和上述选定的设计参数进行模拟分析与设计优化，主要计算结果列在表2.1中。表 2.1 微型涡轮喷气发动机主要性能指标名称单位数值压气机流量kg/s0.23涡轮流量kg/s0.2338燃料流量kg/s0.0038压气机出口温度K378涡轮前温度K964压气机耗功J/kg70718.6涡轮做功J/kg1286482.4 微型涡喷发动机总体结构方案分析2.4.1结构总体分析微型涡轮发动机转子支承方式：将压气机转子与涡轮转子刚性地连接成一体，组成了发动机整体转子，此时转子只需支承在两个支点上，形成020二支点支承方案（如图2.5）。这种支承方案中两个支点的距离较近，可以使发动机的长度缩短，总体结构简单，但转子悬臂支承，且为了安装轴承，压气机与涡轮间的轴直径尺寸受到较大限制，直径较小，因此转子的刚性较差。在常见的发动机当中，某型发动机的高压转子也采用了020的二支点方案（如图2.6）。图2.5微型涡轮发动机转子支承方案图图2.6 WP7发动机转子支承方案图微型涡轮发动机主体部分由压气机机盖、整体离心式压气机叶轮、轴、轴套、整体涡轮叶盘、燃烧室机匣（后机匣）、压气机扩压器及轴承机匣、环形燃烧室火焰筒、涡轮导向器、涡轮导向器连接环、锥形尾喷管等主要部件组成（见图2.7）图2.7微型涡轮发动机结构图针对微型涡轮发动机的结构特点，以下列出它的一些结构不同点：（1）压气机静子不再采用机械加工，而是采用整体精密铸造，改善了制