发动机原理第三章3、4节

1、第三章第三章 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 第三章第三章 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 第一节第一节 各部件的共同工作各部件的共同工作 第二节第二节 发动机特性发动机特性 第三节第三节 双轴涡轮喷气发动机双轴涡轮喷气发动机 第四节第四节 加力涡轮喷气发动机加力涡轮喷气发动机 2021年7月3日2 考试时间考试时间 暂定暂定12月月16日（日（15周周一）周周一） 下午下午4:00-6:00 2021年7月3日3 内容回顾内容回顾 油门特性油门特性 一定飞行条件和调节规律下，发动机推力、耗一定飞行条件和调节规律下，发动机推力、耗 油率随发动机油门位置的变化关系。油率随发动机油门位置的变化关系。

2、2021年7月3日4 0.20.40.60.81.0 800 1000 1200 1400 1600 涡轮前温度（K） ncor 内容回顾内容回顾 速度特性速度特性 发动机调节规律一定，飞行高度一定，发动机发动机调节规律一定，飞行高度一定，发动机 推力、耗油率等随飞行推力、耗油率等随飞行Ma的变化关系。的变化关系。 2021年7月3日5 内容回顾内容回顾 高度特性高度特性 发动机调节规律一定，发动机调节规律一定， 飞行飞行Ma一定，发动机一定，发动机 推力、耗油率等随飞行推力、耗油率等随飞行 高度的变化关系。高度的变化关系。 2021年7月3日6 内容回顾内容回顾 过渡状态特性过渡状态特性 发

3、动机性能及主要参数短时间内发生显著变化发动机性能及主要参数短时间内发生显著变化 的过程为过渡过程（动态过程）的过程为过渡过程（动态过程） 2021年7月3日7 内容回顾内容回顾 过渡状态特性过渡状态特性 地面起动地面起动 0转速到慢车状态转速到慢车状态 最小平衡转速最小平衡转速n 必须靠外动力源必须靠外动力源 分三个阶段分三个阶段 I 起动机带转起动机带转 II 起动机和涡轮共同带转起动机和涡轮共同带转 III 涡轮单独带转涡轮单独带转 2021年7月3日8 n1 点火转速点火转速 n 最小平衡转速最小平衡转速 n2 起动机脱开转速起动机脱开转速 内容回顾内容回顾 2021年7月3日9 压气机

4、 涡 轮 燃烧室 尾 喷 口 功平衡 流量连续1 流 量 连 续 2 * 3 1 * 1 () k T Dq T 8 * 1,1 3 t * 4 dx p const p 1 1 () kk k e const q * 3 * 1 1 11 1 1 p k k ptm t c Te T c 前提：前提： 单轴涡轮喷气发动机单轴涡轮喷气发动机 几何不可调几何不可调 1.1. 涡轮导向器和尾喷口临界涡轮导向器和尾喷口临界 流量连续1： 功平衡： 流量连续2： 第三节第三节 双轴涡轮喷气发动机双轴涡轮喷气发动机 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 二、双轴涡轮发动机的特点二、双

5、轴涡轮发动机的特点 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 四、尾喷管面积影响四、尾喷管面积影响 五、调节规律五、调节规律 2021年7月3日10 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 为何现役高性能航空发动机都是双转子或为何现役高性能航空发动机都是双转子或 多转子的？多转子的？ 2021年7月3日11 提高性能 提高涡轮前温度 提高增压比 增加压气机级数 非设计状态压气机前后 不匹配的情况加剧 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 当相似转速下降，当相似转速下降，P C 增压比下降增压比下降 通道收缩速度相对过快，通道收缩速度相对过快， 后面级成为后

6、面级成为“瓶颈瓶颈” 压气机前面级正攻角压气机前面级正攻角 叶背分离叶背分离 压气机后面级负攻角压气机后面级负攻角 叶盆分离叶盆分离 2021年7月3日12 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 2021年7月3日13 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 2021年7月3日14 一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈一、单轴涡喷发动机的发展瓶颈 设计增压比对单轴发动机工作线的影响设计增压比对单轴发动机工作线的影响 2021年7月3日15 在低相似工作转速下： 设计增压比越高，喘振边界越陡，工作线越平缓 设计增压比越低，喘振边界越平缓，工作线越陡 高设计增压比低设

7、计增压比 二、双轴涡轮发动机的特点二、双轴涡轮发动机的特点 在低在低ncor时：时： 低压压气机负荷相对变重，转速相对下降；低压压气机负荷相对变重，转速相对下降； 高压压气机负荷相对变轻，转速相对升高；高压压气机负荷相对变轻，转速相对升高； 高压转子和低压转子的转速差增加，缓和了前高压转子和低压转子的转速差增加，缓和了前 后不协调的矛盾。后不协调的矛盾。 2021年7月3日16 二、双轴涡轮发动机的特点二、双轴涡轮发动机的特点 2021年7月3日17 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日18 对于高压转子，如果： l把低压压气机出口视为进气道出口； l把低压涡轮导向器视

8、为尾喷管； 那么，高压转子完全等同于一个单轴燃气涡轮发动机 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日19 低压 压气机 高压 涡轮 燃烧室 尾 喷 口 功平衡 流量连续 高压 压气机 低压 涡轮 功平衡 流量连续 流 量 连 续 流 量 连 续 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日20 低压 压气机 高压 涡轮 燃烧室 尾 喷 口 功平衡 流量连续 高压 压气机 低压 涡轮 流 量 连 续 低压涡轮导向 器相当于高压 转子的尾喷口 低压压气机出口 相当于高压转子 的进气道 高压转子等效于单轴涡轮喷气发动机 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 高

9、压转子的共同工作方程高压转子的共同工作方程 （推导过程略）（推导过程略） 如果双轴燃气涡轮喷气发动机高压涡轮导如果双轴燃气涡轮喷气发动机高压涡轮导 向器、低压涡轮导向器处于临界状态，那向器、低压涡轮导向器处于临界状态，那 么，高压转子具有唯一的共同工作线。么，高压转子具有唯一的共同工作线。 2021年7月3日21 * * 1.1 1 () khkh kh e const q 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 高、低压涡轮膨胀比的分析高、低压涡轮膨胀比的分析 2021年7月3日22 低压 压气机 高压 涡轮 燃烧室 尾 喷 口 高压 压气机 低压 涡轮 流 量 连 续 流 量 连 续 三

10、、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 高、低压涡轮膨胀比的分析高、低压涡轮膨胀比的分析 2021年7月3日23 8 2 * 1 *1,1 3.188 tl * 4 2 * 1 *1,1 3 th * 3.1 () () () () Tl Tl dxl Th Th dxldxh k k c dxldxldxl k k dxldxldxl dxhdxhdxh pA q const pA q pA q const pAq 低压涡导与尾喷管流量连续： 高压涡导与低压涡导流量连续： 对于双轴燃气涡轮喷气发动机，如果高压涡轮导 向器、低压涡轮导向器、尾喷口都处于临界状态，那 么，高压涡轮、低压涡轮的膨胀

11、比都为常数。 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日24 低压 压气机 高压 涡轮 燃烧室 尾 喷 口 高压 压气机 低压 涡轮 功平衡 流量连续 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日25 113.1. * 2 * 111 13.1 * 13.1 * 3.11.12 1 * 11 1 () ()() () mmmm dxl bdxhdxl dxldxl dxldxldxlTh mm dxl klkhl qvfqqq p KA q K pA qKp Aq qq TTT Tpp Dq Tpp 引气 低压压气机进口流量与低压涡轮导向器喉道质量流量的关系为

12、： （） 根据流量连续： 整理之后流量平衡方程变成： 因为 * 2 * 11.1 1 l 1 Dconst () klkh l bdxhdxl dxl dxl Th p p AK D KA q 若导向器为临界状态： 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日26 1 * 1113.11 * 3.1 * 1* 11 1 ()1)/1 () 111 1 1 (),() mpklklmptlml tl p klkl klkl ptlml tl klkltltl q c Tq c T c Tee const T c e ee 由低压压气机和低压涡轮的功平衡： 整理后可得： 其中， 三

13、、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日27 * 3.1 1 * 1 * 3.1 * 1 1 () 1 1 () klkh kl kl khklkl kl T constq T Te const T e const q 低压压气机进口流量与低压涡轮导向器喉道质量流量连续： 低压压气机与低压涡轮功平衡： 将上面两式联立，可得低压转子共同工作方程： 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 双轴涡喷发动机高、低压转子的共同工作方程：双轴涡喷发动机高、低压转子的共同工作方程： 2021年7月3日28 1.1 1 ()1 1 1( ) 2 kh khkh kl khklkl qe e

14、q 高压转子：常数 低压转子：常数 分析： l高压压气机共同工作线可在高压压气机特性图上唯一确定 l低压压气机共同方程包含高压压气机增压比，说明低压转子和高压转 子的共同工作点存在着关联关系。 l但是，当确定了高压转子的共同工作点后，仅根据上述方程并不能确 定低压转子的共同工作点，说明上述方程不足以完整的描述低压转子 和高压转子的共同工作点之间的关联关系。 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日29 低压 压气机 高压 涡轮 燃烧室 尾 喷 口 高压 压气机 低压 涡轮 流 量 连 续 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日30 * 1.11.11.

15、11.11.111111 * * 11.111.1 11.1 1 1 * * 1* 1.1 1.11 * 1 1 ()()() () (1) 1 ()1 () 1 1 kl pkl kl p klkl kl kl kl p A qpTp AqAq KK pATq TT c T T c TT T q const qe 根据低压压气机进口和高压压气机进口的流量连续： 低压压气机功： 将上面两式联立可得： 1.1 () 该方程表明了高压转子和低压转子之间的流量约束条件 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021年7月3日31 共同工作方程组： 1.1 1 ()1 1 1() 2 kh khk

16、h kl khklkl qe const eq const 高压转子： 低压转子： 1.1 1 () 3 ()1 1 kl kl kl q const qe 高、低压压气机流量连续： 上述共同工作方程说明： l 高、低压转子分别在高、低压压气机特性图上各有一条共同工作线。 l 当飞行条件变化时，发动机的工作点在其共同工作线上移动。高、低压 转子的工作点存在对应关系，这种对应关系取决于流量连续。 l 当发动机几何不可调时，与单轴涡喷发动机一样，只有一个调节中介， 即主燃烧室的供油量。被调参数只能选取一个，无论选取哪个被调参数， 共同工作线不变。 三、各部件的共同工作三、各部件的共同工作 2021

17、年7月3日32 共同工作方程组： 1.1 1 ()1 1 1() 2 kh khkh kl khklkl qe const eq const 高压转子： 低压转子： 1.1 1 () 3 ()1 1 kl kl kl q const qe 高、低压压气机流量连续： 四、尾喷管面积影响四、尾喷管面积影响 2021年7月3日33 2 * 1 3.188 * 4 * 3.11 * () () 1 1 () Tl Tl k k c tl dxldxldxl khpthmh th pA q pA q Wc T * 83.13 * 1.1 1.11.11 ()( ) th const kh tl m n

18、ATT T qqq 沿高压转子 流量连续功平衡工作线下移 沿低压等转速线上移 接近喘振边界 假设调节规律： * 1 kl n const T 四、尾喷管面积影响四、尾喷管面积影响 2021年7月3日34 单轴涡喷发动机： 共同工作线远离喘振边界 双轴涡喷发动机： 低压转子：共同工作线靠近喘振边界 高压转子：共同工作线不受影响 当尾喷口面积A8增加时： 五、调节规律五、调节规律 尾喷管几何面积不可调，调节量：供油量尾喷管几何面积不可调，调节量：供油量 可能的调节规律：可能的调节规律： 保持低压转子转速不变保持低压转子转速不变 保持高压转子转速不变保持高压转子转速不变 保持涡轮前总温不变保持涡轮前

19、总温不变 2021年7月3日35 五、调节规律五、调节规律 当当T1*上升时：上升时： 低压转子加低压转子加“重重”，低压转速有下降的趋势，低压转速有下降的趋势 ； 高压转子变高压转子变“轻轻”，高压转速有上升的趋势，高压转速有上升的趋势 。 2021年7月3日36 五、调节规律五、调节规律 当采用低压转子转速保持不变的调节规律时：当采用低压转子转速保持不变的调节规律时： 为保持低压转子转速不变，调节器主动加油，提高为保持低压转子转速不变，调节器主动加油，提高T3* ，增加涡轮功，结果使本来就有上升趋势的高压转子，增加涡轮功，结果使本来就有上升趋势的高压转子 转速上升更多。转速上升更多。 当采

20、用高压转子转速保持不变的调节规律时：当采用高压转子转速保持不变的调节规律时： 为保持高压转子转速不变，调节器主动减油，降低为保持高压转子转速不变，调节器主动减油，降低T3* ，减少涡轮功，结果使本来就有下降趋势的低压转子，减少涡轮功，结果使本来就有下降趋势的低压转子 转速下降更多。转速下降更多。 当采用涡轮前温度保持不变的调节规律时：当采用涡轮前温度保持不变的调节规律时： 涡轮功基本保持不变，低压转子转速下降，高压转子涡轮功基本保持不变，低压转子转速下降，高压转子 转速上升。转速上升。 2021年7月3日37 小结小结 2021年7月3日38 如果：几何不可调；导向器临界；尾喷口临界如果：几何

21、不可调；导向器临界；尾喷口临界 单轴涡喷发动机单轴涡喷发动机双轴涡喷发动机双轴涡喷发动机 共同工作方程共同工作方程共同工作方程共同工作方程 唯一的共同工作线唯一的共同工作线高、低压转子各一条共同工作线，高、低压转子各一条共同工作线， 两者存在一一对应关系。两者存在一一对应关系。 1 1( ) k kk eq const 1.1 1 ()1 1 1( ) 2 kh khkh kl khklkl qe const eq const 高压转子： 低压转子： 1.1 1 () 3 ( )1 1 kl kl kl q const qe 补充方程： 小结小结 2021年7月3日39 单轴涡喷发动机单轴涡喷

22、发动机双轴涡喷发动机双轴涡喷发动机 增大增大A8A8，共同工作线下移（远离，共同工作线下移（远离 喘振）喘振） 增大增大A8A8，共同工作线上移（接近喘振），共同工作线上移（接近喘振） A8A8变化对高压转子共同工作线没影响变化对高压转子共同工作线没影响 kl kh 作业作业1 2021年7月3日40 * 33.max * 1 * 21.1 * 1.12 * 11 * 11.1 1 2 (3) (4) (5) f lh WTTconst T TT TT TT nn TT 当几何不可调双轴涡喷发动机采用如下调节规律时： 忽略温度对工质物性的影响，增加，试分析： （）高、低压压气机出口的温度、分别

23、如何变化，为什么？ （ ） 、分别如何变化，为什么？ 高、低压压气机增压比分别如何变化，为什么？ 高、低压压气机相似换算转速、分别如何变化，为什么？ 高 h l n n 、低转子的转速比如何变化，为什么？ 作业作业2 其它条件不变时，减小双轴涡喷发动机的其它条件不变时，减小双轴涡喷发动机的 尾喷管临界面积或低压涡轮导向器的临界尾喷管临界面积或低压涡轮导向器的临界 面积，对低压压气机的共同工作点如何影面积，对低压压气机的共同工作点如何影 响？对高压压气机的共同工作点如何影响响？对高压压气机的共同工作点如何影响 ？为什么？为什么？ 2021年7月3日41 第三章第三章 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机

24、 第一节第一节 各部件的共同工作各部件的共同工作 第二节第二节 发动机特性发动机特性 第三节第三节 双轴涡轮喷气发动机双轴涡轮喷气发动机 第四节第四节 加力涡轮喷气发动机加力涡轮喷气发动机 2021年7月3日42 第四节第四节 加力涡轮喷气发动机加力涡轮喷气发动机 一、分类一、分类 二、喷液加力二、喷液加力 三、复燃加力三、复燃加力 2021年7月3日43 一、分类一、分类 加力加力 发动机在最大状态工发动机在最大状态工 作产生最大推力的基作产生最大推力的基 础上，再增加推力。础上，再增加推力。 方法方法 喷液加力喷液加力 复燃加力复燃加力 2021年7月3日44 二、喷液加力二、喷液加力 在

25、压气机进口或燃烧室中喷入易蒸发的液在压气机进口或燃烧室中喷入易蒸发的液 体（水体（水+甲醇）甲醇） 压气机进口喷水加力的工作原理：压气机进口喷水加力的工作原理： 喷入的液体吸收气流中热而蒸发，将气体的吸喷入的液体吸收气流中热而蒸发，将气体的吸 热（熵增）压缩过程变为放热（熵减）压缩过热（熵增）压缩过程变为放热（熵减）压缩过 程，在压缩功不变的条件下可以获得更高的压程，在压缩功不变的条件下可以获得更高的压 气机增压比。气机增压比。 增压比增加，空气流量增加，排气速度增加，增压比增加，空气流量增加，排气速度增加， 推力增加。推力增加。 2021年7月3日45 二、喷液加力二、喷液加力 2021年7

26、月3日46 S h 压缩功压缩功 P1* P2*喷水喷水 P2* 理想理想 P2*不喷水不喷水 在消耗相同压缩功条件下获得更高的增压比在消耗相同压缩功条件下获得更高的增压比 二、喷液加力二、喷液加力 推力增加程度正比于喷水量推力增加程度正比于喷水量 优点优点 加力效果明显加力效果明显 经济性好经济性好 缺点缺点 用水量大用水量大 腐蚀腐蚀 结冰结冰 仅限于起飞使用仅限于起飞使用 2021年7月3日47 三、复燃加力三、复燃加力 在涡轮后再增加一个燃烧室，利用燃气中剩余的在涡轮后再增加一个燃烧室，利用燃气中剩余的 氧，再次喷油燃烧。氧，再次喷油燃烧。 两个燃烧室两个燃烧室 前面称为主燃烧室前面称

27、为主燃烧室 后面称为加力燃烧室，参数下标后面称为加力燃烧室，参数下标“af” 2021年7月3日48 三、复燃加力三、复燃加力 1、加力工作原理、加力工作原理 因涡轮后无高速旋因涡轮后无高速旋 转件转件, 冷却问题比较冷却问题比较 好解决好解决, 再次喷油燃再次喷油燃 烧使气流温度烧使气流温度Taf*达达 2000 2100K 涡轮出口温度涡轮出口温度T4* 800 1100K 2021年7月3日49 af afaf e af e afaf T T F F F V p p TpCV p p TpCV * 4 * 0 1 0 * 4 * 49 1 0 * * 9 0 ) 1 (12 ) 1 (1

28、2 三、复燃加力三、复燃加力 1、加力工作原理、加力工作原理 af加力加热比加力加热比 加力比加力比 af =22.5， 推力增加推力增加4050% 2021年7月3日50 F af afaf e af e afaf T T F F F V p p TpCV p p TpCV * 4 * 0 1 0 * 4 * 49 1 0 * * 9 0 ) 1 (12 ) 1 (12 三、复燃加力三、复燃加力 2、理想循环、理想循环 2021年7月3日51 多一个等压加热过程多一个等压加热过程 三、复燃加力三、复燃加力 2、理想循环、理想循环 循环总加热量循环总加热量q0 主燃烧室加热量主燃烧室加热量q0

29、 加力燃烧室加热量加力燃烧室加热量qaf 放热量放热量q2 加力循环功加力循环功W af 加力循环热效率加力循环热效率 th.af 2021年7月3日52 * 000.1 22 90 02 2 . 00 () 2 1 afaf af af af th af qqqCp TT VV Wqq W q qq 三、复燃加力三、复燃加力 3、复燃加力对性能的影响、复燃加力对性能的影响 2021年7月3日53 复燃加力可以有效提高推复燃加力可以有效提高推 力力 复燃加力使发动机经济性复燃加力使发动机经济性 变差变差 推力提高以牺牲发动机经推力提高以牺牲发动机经 济性作为代价济性作为代价 三、复燃加力三、复燃加力 4、复燃加力发动机喷管喉道、复燃加力发动机喷管喉道A8必须可调必须可调 尾喷管与涡轮流量连续尾喷管与涡轮流量连续 2021年7月3日54 *