发动机原理课件完整版：第一章2、3、4、5节

第一章航空燃气涡轮发动机工作原理 第一章航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向 2020年4月19日 2 第二节推力公式 一 有效推力及推力分布发动机提供的推进飞机向前运动的力 其大小等于流经发动机内 外的气流对发动机各部件表面反作用力的轴向合力 用 Feff 表示 提供推动力的作用 1 克服飞行阻力 2 飞机达到一定速度机翼产生升力 3 矢量推力 俯仰 偏航 力矩推力分布 2020年4月19日 3 二 推力公式推导 取发动机单独安装于短舱的安装形式远前方为 0 截面短舱进口为 01 截面尾喷管出口为 9 截面 2020年4月19日 4 二 推力公式推导 气流流经发动机内 外所产生的反作用力 Fout 气流作用于短舱外表面的轴向合力Fin 发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力 2020年4月19日 5 二 推力公式推导 FoutdA 短舱外表面微元面积在垂直于轴向方向上的投影 Xf 摩擦阻力因与飞行方向相反 故均为负 2020年4月19日 6 二 推力公式推导 Fin动量定理 控制体进 出口气流动量变化 全部轴向力的合力控制体包括 短舱包含的气流和进气道前方一段扩张管流 2020年4月19日 7 二 推力公式推导 Feff 2020年4月19日 8 二 推力公式推导 Feff 2020年4月19日 9 推力 阻力 附加阻力 压差阻力 摩擦阻力 二 推力公式推导 推力附加阻力压差阻力摩擦阻力 2020年4月19日 10 二 推力公式推导 Feff与F对于亚音速飞机 由于发动机对气流扰动较小 可以近似认为 Feff F对于超音速飞机在超音速飞行时激波的出现 Feff F三项损失不容忽视 2020年4月19日 11 二 推力公式推导 Feff与F安装位置飞机机体设计必须与发动机工作相匹配 以减小安装损失 2020年4月19日 12 安装推力 非安装推力 安装损失 二 推力公式推导 推力 2020年4月19日 13 发动机推力 空气流量 进排气速度差 第一章航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向 2020年4月19日 14 第三节性能指标和基本要求 一 性能指标1 推力单位 N daN kgf 2020年4月19日 15 一 性能指标 1 推力 动量变化 空气 燃油 大涵道比 民用 涡扇燃油 空气几 小涵道比 军用 涡扇燃油 空气几 2020年4月19日 16 排出燃气流量 排出进口空气流量 一 性能指标 1 推力 压力变化 2020年4月19日 17 一 性能指标 1 推力推力 尾喷管完全膨胀 p9 p0忽略进出口流量差异qmg qma 2020年4月19日 18 一 性能指标 1 推力如果v0 0 则为地面台架试验F119qma 125kg sv9 1200m sF 150000N 2020年4月19日 19 一 性能指标 示例 进行发动机地面台架试车 其中发动机进口流量100kg s 进口速度120m s 排气速度800m s 尾喷管完全膨胀 则发动机产生的推力是多少 A68000NB80000N 2020年4月19日 20 一 性能指标 1 推力发动机推力大小仅仅反映飞机的推力需求 不能反映不同推力级发动机之间的性能优劣例如 GE90 BY777 F 392000N qma 1420kg sD 3 524mwp 11 无人机 F 8500N qma 13kg sD 0 3m 2020年4月19日 21 一 性能指标 2 单位推力单位 N s kg每秒钟流过发动机的每公斤空气产生的推力 忽略进出口流量变化 完全膨胀 又进行地面台架试验 2020年4月19日 22 一 性能指标 2 单位推力大涵道比民用涡扇 300高性能小涵道比军用涡扇 700 1200单位推力越大 迎头面积越小 2020年4月19日 23 一 性能指标 3 推重比FW F W无量纲量综合性指标 反映气动热力循环的设计水平 如高单位推力 反映结构设计水平 统计 W增加1kg导致飞机重量增加2 5kg 2020年4月19日 24 一 性能指标 3 推重比J473F1008F11910飞机推重比将直接影响飞机性能 最大平飞速度 升限 有效载荷和机动性 作战半径等 先进战斗机推重比 1 1 1 15 2020年4月19日 25 一 性能指标 4 单位迎面推力FA F A单位 N m2发动机短舱安装 其迎面面积的大小 决定了发动机外部阻力大小 涡喷发动机FA约为80 100kN m2 2020年4月19日 26 一 性能指标 5 耗油率单位 kg h N或kg h daN产生1牛顿推力每1小时消耗的燃油量经济性指标 2020年4月19日 27 油气比 一 性能指标 示例 F119发动机qmf 7 2kg s 每小时耗油25920kg 推力 150000N耗油率 0 173kg h N 2020年4月19日 28 一 性能指标 小结1 推力F2 单位推力Fs3 推重比Fw4 单位迎面推力FA5 耗油率sfc 2020年4月19日 29 二 使用性能要求 1 起动迅速可靠 地面 空中 t 30 60s 2 加 减速性能好指发动机转子转速迅速增加或减小 使发动机推力迅速加大或减小的能力 t 5 15s 2020年4月19日 30 二 使用性能要求 3 工作稳定 可靠性好使用中避免发生 熄火 超温 超转 喘振等结构完整性安全可靠事故率 发动机故障引起飞行事故次数 10万小时空中停车率 空中停车次数 工作千小时 IFSD 返修率 ShopVisitRatio 1000hr 平均无故障时间 MeaningTimeBetweenFaults 2020年4月19日 31 二 使用性能要求 4 寿命长两次返修之间发动机工作小时数军用 100 400小时民用 上千 上万小时5 其他可维修性 低成本 低排放污染 低噪音等 2020年4月19日 32 三 基本要求 高推重比 高单位推力 低耗油率高稳定可靠性低成本低污染 2020年4月19日 33 第一章航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向 2020年4月19日 34 第四节能量转换与效率 一 能量转换航空发动机是 热机 推进器 的组合体热机热能 机械能热效率推进器机械能 推进功推进效率组合体热能 机械能 推进功总效率 2020年4月19日 35 二 热效率 2020年4月19日 36 三 推进效率 单位时间发动机对飞机所做推进功发动机每公斤工质单位时间对飞机所作推进功推进效率定义 2020年4月19日 37 三 推进效率 两种极端情况当V0 0时 p 0当V9 V0时 p 1 但Fs V9 V0 0 V9 V00 p 1 0 5 0 75 有效功 推进功的转换必有 损失 2020年4月19日 38 三 推进效率 损失 有效功 推进功 绝对坐标系中气流以绝对速度 V9 V0 排出发动机所带走的能量 称为 余速损失 若V0 0 则全部可用能以动能的形式损失在空间 不产生推进功 2020年4月19日 39 三 推进效率 思考题发动机做地面台架试验 F 10000N V9 500m s 推进功和效率分别是多少 V0 0 推进功 0 推进效率 0 2020年4月19日 40 四 总效率 发动机作为 热机 推进器 的效率 经济性指标 0 2 0 3提高总效率途径1 提高热效率 改善循环参数 提高 高效率部件 2 提高推进效率 减少V9 V0 2020年4月19日 41 四 总效率 总效率与耗油率的关系飞行速度一定时 总效率与耗油率成反比飞行速度变化时 只能用总效率表示经济性飞行速度为零时 只能用耗油率表示经济性 2020年4月19日 42 四 总效率 2020年4月19日 43 对于涡喷发动机存在矛盾涡喷发动机将热力循环获得的机械能全部转换为气体的动能增量 进 排气速度差大 可提高热效率和增加推力但排气速度差大 推进效率低 总效率低经济性差 耗油率高能否在不降低发动机热效率的条件下 提高推进效率 改善低速飞行条件下的总效率降低耗油率 其他类型发动机 四 总效率 作业 V0 300m s V9 600m s qma 100kg s qmf 1kg s Hu 42900kJ kg 求 th p 0 2020年4月19日 44 第一章航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向 2020年4月19日 45 第五节发展方向 要求 高单位推力 低耗油率单位推力 耗油率与热力循环关系 2020年4月19日 46 第五节发展方向 提高加热比 即T3 可有效提高循环功 因此提高单位推力 但同时使耗油率增加 提高压气机增压比 k 可提高热效率 降低耗油率 但导致单位推力下降 为获得高单位推力和低耗油率 随T3 的提高 相应提高压气机增压比 2020年4月19日 47 第五节发展方向 2020年4月19日 48 典型亚音速飞机发动机 第五节发展方向 2020年4月19日 49 典型军用发动机 第一章小结 推力的产生及推力公式性能指标热力循环及循环分析结果循环功 热效率与循环增压比 加热比的关系三个效率 th p 0 的定义 能量转换 损失发动机的发展方向为提高发动机推重比 单位推力 提高燃烧室出口温度T3 为降低耗油率 提高压气机增压比 k 作业 1 发动机推力与有效推力存在有什么区别 有效推力公式中的三项阻力与哪些因素有关 内推力大小与哪些因素有关 2 对于