燃气涡轮发动机(4)

第4章发动机特性 刘成英 4 1涡轮喷气式发动机 4 1 1稳态下的共同工作 单转子发动机 稳态 发动机在某一转速下连续的工作状态稳态下共同工作条件 1 转速一致 2 流量连续 3 压力平衡 4 功率平衡4 1 2过渡态下的共同工作剩余功率过渡态 启动 加速 减速剩余功率 涡轮功率 压气机功率 改变供油量 改变涡轮前温度 改变涡轮功率 改变发动机转速 加速性 用加速时间衡量 加速时间 从慢车转速加速到最大转速或某一高转速的时间 加速性的限制 压气机喘振 涡轮超温 燃烧室富油熄火 超转限制减速过程限制 贫油熄火限制4 1 3发动机的特性民航发动机常用的工作状态 最大起飞工作状态最大连续工作状态最大巡航工作状态慢车工作状态 飞机喷水解释 在航空燃气涡轮发动机中 喷液 水 水与甲醇或水与乙醇的混合液 加力的方案也在某些发动机上得到采用 在压气机进口处喷液 液体蒸发吸热 降低气温 使压气机效率提高 质量流量增加 在保持涡轮进口温度不变的条件下 可以使发动机推力加大 在燃烧室进口处喷液 使通过涡轮的质量流量大于压气机的质量流量 这样可以减少涡轮的压降和温降 使尾喷管内压力提高 从而获得附加推力 如果 在喷液的同时 向燃烧室内相应地增加供油 或混合液中含有甲醇 乙醇在燃烧室中燃烧 均可进一步增大推力 在超音速飞机的发动机中 如果向进气道中喷液 可以显著地增大推力 因此这种方案在某些超音速教练机上得到采用 喷液加力的方案所能增加的推力有限 而且需要专门的附属系统 所以一般只用于某些民航机上 以增加在高原 高温机场上的起飞推力 改善飞机的起飞性能 喷水加力能提高30 的附加推力 推力增加不但是由于降温 提高增压比和流量 而且是由于水汽的气体常数大 约463N m kg K 也使单位推力增加 但是由于水在发动机中停留时间很短 只有一部分水汽化 水对压气机叶片有腐蚀作用 造成发动机性能恶化或喘振 在某些情况下 由于水的冷却 使压气机机匣卡住工作叶片 如果大气温度很低 在压气机进口喷水 还有可能引起结冰 若在燃烧室进口喷水 可以避免上面的缺点 但推力的增加不如前者 水在燃烧室内蒸发使燃气流量增加 但是由于导向器的限制 使流体阻力增加 导致压气机流量下降 并移向喘振边界 压气机增压比也稍有增加 所以向燃烧室喷水受到压气机喘振裕度的限制 2 发动机特性 燃气涡轮发动机的性能 1 推力 Thrust 2 耗油率 SpecificFuelConsumption SFC 发动机的耗油率是发动机的第一性能指标 它反映了发动机的经济性 降低发动机的耗油率始终是发动机设计 研制中的一项重要目标 耗油率与涵道比的关系最密切 涵道比越高 耗油率越低 对于一台发动机来说 它所发出的推力和消耗的油量随着不同的工作条件如何变化 则是发动机性能的重要问题 这些性能包括转速特性 节流特性 速度特性高度特性 涡轮喷气发动机的转速特性 节流特性 燃气涡轮发动机的推力与耗油率随发动机的转速而变化 最大转速时的推力达最大值 随着转速下降 推力减小 而在巡航状态下的耗油率为最低值 任何偏离最佳状态的转速 耗油率均增大 涡轮喷气发动机的高度特性 在一定转速和速度条件下 随着飞行高度的增加 由于大气密度下降 空气流量减小 另一方面 由于大气温度随着高度的提高而降低 在对流顶以下 故推力随高度单调下降 下降率低于大气密度下降率 而在同温层 下降率增加 与大气密度下降率相当 由于随高度的增加 大气温度下降 故耗油率相应降低 在同温层 大气温度不变 故耗油率也保持不变 涡轮喷气发动机的速度特性 发动机的推力与飞行速度有密切关系 由推力公式可见 当迎面气流速度增大时 在相同的排气速度下 推力成比例下降 另一方面 进气速度提高将引起空气流量的增加 这两个相互矛盾的影响 使推力出现先下降而后提高 在一定的速度下 达到最大值 而后 迅速下降 直到完全没有推力 随着飞行速度提高 单位推力下降 故耗油率不断上升 4 1 4双转子涡喷发动机双转子涡喷发动机的优点 参考教材page69 1 防喘 2 更大推力 3 较高压气机效率较低涡轮前总温 4 良好的加速性 5 功率较小的起动机 4 2涡轮风扇发动机 4 2 1工作原理及特点 参考教材page70 4 2 2涡轮风扇发动机特性转速特性 双转子涡轮风扇发动机的转速特性 高压转子转速 转速增大 推力增大 但接近最大转速时 推力增长越来越慢 转速增大 燃料消耗率起初下降较快 后来下降缓慢 高度特性 保持发动机转速和飞行速度不变的条件下 发动机推力和燃料消耗率随飞行高度变化的规律 叫做发动机的高度特性 假设涡轮前温度保持不变 飞行高度升高时 空气密度减小 发动机的空气流量一直减小 在11000米以下 飞行高度升高时 大气温度降低 风扇增压比和内涵压气机增压比增加 使单位推力增大 涵道比减小 在11000米以上 大气温度保持不变 单位推力和涵道比保持不变 在上述影响推力的三个因素中 空气流量一直占主导地位 所以 随飞行高度的升高 推力一直减小 燃油消耗率随飞行高度的变化规律在11000米以下时 主要取决于是单位推力的增大 还是涵道比的减小起主导作用 在11000米以上时 由于随着高度的增加 大气温度保持不变 所以单位推力和涵道比均保持不变 燃油消耗率也就保持不变 速度特性 保持飞行高度和发动机转速不变的条件下 发动机推力和燃料消耗率随飞行速度变化的规律 叫做发动机的速度特性 涵道比随飞行速度的变化规律随着飞行速度的增大 涵道比在不断地增大 涡扇发动机的推力随飞行速度的变化规律推力的变化取决于涵道比 空气流量和单位推力单位推力随飞行速度的增大而下降 涵道比增大 空气流量增大 但涵道比和空气流量增大程度不如单位推力下降的程度大 所以随飞行速度的增加推力将减小 特别是高涵道比的涡扇发动机 发动机的推力随飞行速度的增加推力一直是减小的 涵道比越大 推力下降的越快 燃油消耗率随飞行速度的变化规律随着飞行速度的增加而增加 低涵道比发动机上升的较慢 高涵道比发动机上升的较快涡扇发动机 特别是高涵道比的涡扇发动机 不适宜作高速飞行的动力装置 因为它的速度特性不好 4 3涡轮螺旋桨发动机 工作原理和结构特点主要性能参数涡桨发动机工作特性 涡轮螺旋桨发动机由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成 在它们之间还安排了一个减速器涡轮螺旋桨发动机的工作原理螺旋桨产生拉力气体流过发动机时产生反作用推力在较低的飞行速度下 具有较高的推进效率 所以它在低亚音速飞行时的经济性较好适用于低空低速的运输机和民航机 4 3 1工作原理和结构特点 当从涡喷发动机基本部分 常常称为燃气发生器 的排气用于旋转附加的涡轮通过减速器驱动螺旋桨 这就是涡桨发动机直接传动涡轮螺桨发动机 附加功率直接从压气机传动轴驱动螺旋桨减速器产生 自由涡轮带动 在现代涡轮螺桨发动机中更多的有自由涡轮 它独立于驱动压气机的涡轮 在发动机排气流中自由转动 自由涡轮轴通过减速器驱动螺旋桨 目前使用的涡桨发动机有三种形式 单轴的 压气机和螺旋桨用一个轴带动 双轴的 一个涡轮轴带动部分级压气机 第二个涡轮轴带动其余级的压气机和螺旋桨 双轴涡轮轴 一个涡轮带动压气机 另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 但可分别调整压气机和螺旋桨的转速 目前使用的涡桨发动机有三个杆 很多涡桨发动机是自由涡轮式 在这一类发动机 基本发动机主要地作为燃气发生器起作用 完成驱动在发动机排气流中自由旋转的涡轮 自由涡轮通过减速器转动螺旋桨 PT6是由功率控制杆和螺旋桨控制杆分别操纵的发动机和螺旋桨控制系统控制的 第3个杆 称为启动控制杆用于在慢车选择高低转速范围和切断燃油供给使发动机停车 自由涡轮涡桨发动机的另一种结构形式是空气和燃气流动方向从后向前 这样的结构提供给设计大的灵活性 发动机有两个独立对转的涡轮 一个涡轮驱动压气机 另一个通过减速器驱动螺旋桨 基本发动机的压气机包括3级轴流式压气机同1级离心式压气机 安装在同一个轴上 涡桨发动机的优点 涡轮螺桨发动机组合了涡轮喷气发动机的优点同螺旋桨的推进效率 涡轮喷气发动机通过迅速加速相对小的空气质量产生它的推力 涡轮螺桨对相对大的空气质量施加较少的加速产生拉力 Thepropellergivesasmallaccelerationtoalargeweightofair Thejetenginegivesalargeaccelerationtoasmallweightofair 涡桨发动机的工作特点 涡轮螺桨发动机其涡轮既带动压气机也带动螺旋桨 约2 3的涡轮功率用来转动压气机 其余的1 3用来转动螺旋桨和传动附件 涡桨发动机的拉力绝大部分由螺旋桨产生 而只有10 15 由喷气产生 为了降低燃油消耗率常采用增压比较高的压气机 推力是由在前面的螺旋桨和在后面的喷管组合作用产生的涡桨发动机的涡轮设计成从膨胀的燃气中吸收大量的能量不仅提供满足压气机和其他附件需要的功率 而且输出最大可能的扭矩到螺旋桨轴 平衡条件为 NT NK NB 当量轴功率 当量燃油消耗率 螺旋桨的功率称为轴功率与喷气推力产生的推进功率折和为由螺旋桨产生的功率之和 涡桨发动机在台架上 V 工作时 由于螺旋桨的效率 0 当量功率采用下述经验公式进行计算式中的NE KW 和F0 KN 是在V 0时测得的螺旋桨轴功率和反作用推力 产生单位当量功率一个小时所消耗的燃油质量称为当量燃油消耗率 4 3 2涡桨发动机特性 涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随发动机转速 飞行高度和飞行速度的变化规律称为涡桨发动机特性 涡桨发动机特性分为转速特性高度特性速度特性 转速特性 保持飞行高度和飞行速度不变的情况下 涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随发动机转速的变化规律称为涡桨发动机的转速特性 高度特性 保持发动机转速和飞行速度不变的情况下 涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随飞行高度的变化规律称为涡桨发动机的高度特性 速度特性 保持发动机转速和飞行高度不变的情况下 涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随飞行速度的变化规律称为涡桨发动机的速度特性 涡桨发动机控制燃油控制 涡桨或涡轴发动机的燃油控制器接受驾驶员的功率要求信号 控制器考虑一些变量和调节燃油流量提供要求的功率而且不超出发动机转速和涡轮进口温度限制 涡桨或涡轴发动机的控制系统还有附加的任务 它必需控制螺旋桨的转速或自由涡轮的转速 它也控制螺旋桨的桨叶角 PT6是由功率控制杆和螺旋桨控制杆分别操纵的发动机和螺旋桨控制系统控制的 第3个杆 称为启动控制杆用于在慢车选择高低转速范围和切断燃油供给使发动机停车 涡桨发动机的螺旋桨多是恒速螺旋桨 保持螺旋桨恒速是由螺旋桨调速器实现的 它感受螺旋桨或自由涡轮转速 通过改变螺旋桨的桨叶角 即变大距 变小距 改变负荷保持螺旋桨恒速 涡桨发动机燃油控制器中有最大转速限制器 排气温度限制器以及扭矩限制器 4 4涡轮轴发动机 4 4 1 燃气发生器和自由涡轮燃气发生器其中带动压气机的涡轮叫做压气机涡轮 在压气机涡轮之后为动力涡轮 如果与前面的涡轮在机械上没有联系 称为自由涡轮 自由涡轮通过输出轴输出功率 经减速器 通常有体内减速器和主减速器 以低转速和大扭矩带动旋翼 小部分功率通过尾桨减速器带动尾桨 这种形式的涡轮轴发动机有以下几方面的优点 1研制比较方便 前后两个部件可分别进行 特别是采用现成的涡轮喷气发动机改型时 更为有利 2起动时只要带动燃气发生器 所以所需要的起动机功率较小3自由涡轮的工作对燃气发生器工作的影响较少 燃气发生器的工作比较稳定 4燃气发生器和旋翼以各自不同的转速工作 比较有利于选择各自合适的转速注意 发动机转子转速必需经过减速器减速后驱动旋翼 直升机不同飞行状态所要求的不同功率可以通过改变旋翼转速和旋翼桨距实现 旋翼桨叶尺寸很大 发动机转子转速必需经过减速器减速后驱动旋翼 旋翼转速改变带来离心力的很大变化 希望旋翼转速恒定 由自由涡轮来驱动旋翼将极为方便 旋翼恒速即自由涡轮恒速 功率的改变则靠桨距改变 相应改变燃气发生器转速实现 4 4 2功率匹配和扭矩限制直升机大多采用多台发动机 它们驱动共同的旋翼 所以希望每台发动机的输出功率相同即功率匹配 这对直升机的强度是有利的 匹配最大原理 如果使用两台发动机 将两台发动机的扭矩做比较 输出扭矩大的发动机不做改变 输出扭矩小的发动机将增加燃油流量 增大输出扭矩 直到与扭矩大的发动机相等 这称为匹配最大原理 它可以防止扭矩负载分配回路将好的发动机功率减少去匹配功率受到限制的发动机 为直升机提供动力的多台发动机输出扭矩相加 并且与预定的扭矩限制值比较 如果总扭矩超限 将同时减少各台发动机的燃油流量减少输出扭矩 自由涡轮 动力涡轮 转速调节器 始终保持动力涡轮转速等于选的基准值 用于保持旋翼转速恒定 排气温度限制器保持涡轮温度不超限 4 4 3操纵及部件特点可用功率轴 功率杆 和负载要求轴 桨距杆 直升机有可用功率轴和负载要求轴 形式上类似于一般发动机的功率杆和停车杆 但功能不同 直升机的可用功率轴或者说功率杆给出燃气发生器可以提供的最大功率 该杆控制启动 停车 燃气发生器转速等 发动机的实际发出的功率则由负载要求轴即桨距杆确定 负载要求轴与总距调节相连 采用电子控制装置的发动机 旋翼恒速 负载分配 超温限制 超扭限制等功能易于实现 自动地精确调准保证旋翼转速下的功率要求 部件结构特点 进气装置 直升机的飞行速度较低 压气机进口的流速总是大于飞行速度 所以进气系统为收敛管道的进气系统 练习题 1 涡轮螺旋桨和涡轮风扇 涡轮喷气发动机比较 随飞机速度增加 推力 A上下波动B下降的慢C下降的快D上升的快c2 涡轴发动机驱动的旋翼是由 A燃气发生器涡轮直接带动的B自由涡轮直接带动的C自由涡轮经减速器带动的D压气机带动的c3 航空燃气涡轮喷气发动机经济性的指标是 A单位推力B燃油消耗率C涡轮前燃气总温D喷气速度b 练习题 4 影响涡扇发动机推力的因素有 A内涵空气流量 单位推力和涵道比B油气比 单位推力和涵道比C压气机的级数和涡轮的级数D冲压比 流量函数和总压恢复系数a5 高涵道比的燃气涡轮风扇发动机外涵产生的推力占到总推力的 A20 B40 C80 或更多D60 c6 燃气涡轮喷气发动机的推力与流过发动机的空气流量之比称为 A力比B推重比C流量比D单位推力d 练习题 7 直升机装有多台涡轴发动机 如何实现功率匹配 A 多台发动机功率取平均值B 取转速平均值C 取油量平均值D 以功率最大的准 进行匹配 功率低的增加供油8 燃气发生器稳态下的共同工作条件是 A转速一致 流量连续 压力平衡和功率平衡B温度一致 流量连续 拉力平衡和功率平衡C速度一致 温度连续 热量平衡和能量平衡D温度一致 流量连续 推力平衡和功率平衡a9 燃气涡轮发动机在减速过程中 注意防止出现 A富油熄火B贫油熄火C超温D超转b 练习题 10 发动机能够保持稳定工作的最小转速是 A自持转速B慢车转速C巡航转速D最大连续转速d11 燃气涡轮发动机在慢车工作状态时 涡轮前燃气总温 A很低B较低C高D等于允许最高值c12 不属于航空燃气涡轮喷气发动机的特性 A节流特性B速度特性C高度特性D负荷特性13 在飞行速度 飞行高度和转速保持不变的情况下 燃气涡轮喷气发动机的推力随大气温度的提高 A而增大B而减小C保持不变D先增加后稍有减小b 练习题 14 燃气涡轮螺旋桨发动机中的螺旋桨的功用是 A产生离心力B产生拉力C产生弹力D产生应力B15 在 发动机中 对大量的气流施加小的加速推动飞机前进 A涡轮轴B涡轮喷气C涡轮螺旋桨D涡轮风扇C16 涡桨发动机燃油控制器中的限制器有 A最大转速限制器 排气温度限制器和扭矩限制器B滑油温度限制器 滑油压力限制器和扭矩限制器C空气流量限制器和最大转速限制器D最大桨叶角限制器和排气温度限制器A17 确定螺桨发动机地面工作时当量功率必须分别测量螺旋桨的 和 A力矩 反作用推力B轴功率 喷气推力C功率 转速D转速 正向推力B 练习题 18 发动机扭矩和转速用以决定涡桨发动机产生的 A输出力B功C功率D力矩C19 具有恒速螺旋桨的涡桨发动机 保持螺旋桨恒速是由 实现的 A齿轮机构B减速器螺旋桨C调速器D星形结构C20 现代涡轮螺旋桨发动机中更多的用 驱动螺旋桨 A自由涡轮直接B压气机直接C高压涡轮直接D自由涡轮通过减速器D21 涡轮螺旋桨和涡轮风扇 涡轮喷气发动机比较 随飞机速度增加 推力 A上下波动B下降的慢C下降的快D上升的快C 练习题 22 直升机不同飞行状态所要求的不同功率可以通过改变 来实现 A旋翼转速和旋翼桨距B进气压力C进气温度D滑油供给量A23 直升机的旋翼接受的功率取决于旋翼的 和桨叶角 A质量B转速C尺寸D位置B24 在涡扇发动机中用来压缩外涵空气和增加内涵动能的能量称之为 A自由能B内能C压缩功D膨胀功A25 为了满足分别排气的涡扇发动机最佳自由能的分配 要求内涵的排气速度 外涵的排气速度 A等于B小于C稍大于D稍小于C 练习题 26 燃气涡轮喷气发动机产生推力的依据是 A牛顿第二定律和牛顿第三定律B热力学第一定律和热力学第二定律C牛顿第一定律和付立叶定律D道尔顿定律和玻尔兹曼定律A27 燃气涡轮喷气发动机的推力与流过发动机的空气流量之比称为 A力比B推重比C流量比D单位推力D28 影响燃气涡轮喷气发动机推力的因素有 A发动机的重量B低热值C进气流量D喷气速度BCD29 使燃气涡轮喷气发动机实际热效率达到最大时的增压比称为 增压比 A最有效B最佳C最经济D最适宜C 练习题 30 对于涡扇