第二部分_航空燃气轮机的工作原理1

1、航空发动机原理航空发动机原理课时安排：56学时民用航空系 刘磊办公室：A1S-3112021-12-15航空发动机原理航空发动机原理2绪论 航空发动机发动机发展回顾与展望 第11章第一部分 热力学和气体动力学基础 第1章第二部分 航空燃气轮机的工作原理 第2章第三部分 发动机部件工作特性 第3,4章第四部分 典型发动机工作特性 第5,6,7,8,9章第五部分 其他发动机机简介 第10章课程结构课程结构2021-12-1522021-12-15航空发动机原理航空发动机原理3 2.1 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理 2.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2.1.2 燃气发生器的理

2、想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环 2.1.3 推进器部分推进器部分 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率航空燃气轮机的性能指标及效率第二部分第二部分航空燃气轮机的工作原理航空燃气轮机的工作原理 2021-12-1532021-12-15航空发动机原理航空发动机原理4 发动机组成发动机组成2.1 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理2021-12-1542.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理52.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航

3、空发动机原理62.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理72.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理82.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理92.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理102.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理112.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理122.

4、1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理132.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理142.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理152.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理162.1.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理172.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环l 燃气发生器是各类燃气轮机的热机部分，燃

5、气发生器是各类燃气轮机的热机部分， 包括包括压气机压气机、燃烧室燃烧室和和带动压气机的那部分涡轮带动压气机的那部分涡轮。l 原理：利用工质重复地进行某些工作过程同时不断原理：利用工质重复地进行某些工作过程同时不断吸热做功。吸热做功。l 理想循环理想循环p 工质为空气，为理想气体，其比热为常数，不随工质为空气，为理想气体，其比热为常数，不随气体温度和压力而变化。气体温度和压力而变化。p 整个工作过程没有流动损失，压缩过程与膨胀过整个工作过程没有流动损失，压缩过程与膨胀过程为绝热等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失程为绝热等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）和机械损失。（排热过程除外）

6、和机械损失。2.1 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理182.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环1. 理想循环理想循环 CTB2134图2.15 燃气轮机循环布置图pV0021342134p-VTST-S1-2 绝热压缩绝热压缩 2-3 等压加热等压加热 3-4 绝热膨胀绝热膨胀 4-1 等压放热等压放热13132021-12-15航空发动机原理航空发动机原理192.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环1. 理想循环理想循环 （1）衡量燃气发生器）衡量燃气发生器的指标的指标

7、热效率热效率 ：加入每千克空气的热量中所能产生的可用功与所加热量之比。加入每千克空气的热量中所能产生的可用功与所加热量之比。 比功比功 ：单位质量空气所作的功。：单位质量空气所作的功。（2）表示理想燃气轮机循环）表示理想燃气轮机循环的参数的参数 增压比增压比 ：压气机出口静压与周围大气压力之比。：压气机出口静压与周围大气压力之比。 加热比加热比 ：燃烧室出口温度与外界大气温度之比。：燃烧室出口温度与外界大气温度之比。 （3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析 it,whvwhvq20202121能量方程式能量方程式2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理202.1.2 燃气发生

8、器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析 绝热压缩过程绝热压缩过程 12pV02134p-V13p整个过程吸热为整个过程吸热为0；p两个阶段：两个阶段： 11 迎面高速气流在迎面高速气流在进气道进气道中的绝能流动，使工质减速增加；中的绝能流动，使工质减速增加； 11 压气机压气机对工质做功。对工质做功。p总机械功：总机械功： 012q212111, 12121vvhhwic122,1, 2hhwwic 1)(/ )1(11212, 2, 1,kkppicicicTcTTchhwww2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理212

9、.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析pV02134p-V13 等压加热过程等压加热过程 12p 在燃烧室内完成；在燃烧室内完成；p 工质所做的机械功为工质所做的机械功为0： p 工质吸热量：工质吸热量： 023w)()(/ )1(1232323kkppTcTTchhq23TT为为 循环的加热比循环的加热比2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理222.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析pV02134p-V13 绝热膨胀过程绝

10、热膨胀过程 34p整个过程吸热为整个过程吸热为0；p两个阶段：两个阶段： 33 在在涡轮涡轮中完成，涡轮从中完成，涡轮从工质中获得的机械功为：工质中获得的机械功为： 34 在尾喷管或动力涡轮中在尾喷管或动力涡轮中完成，单位工质所做的功为完成，单位工质所做的功为。p总机械功：总机械功： 333hhw433232442121hhhvvw11 11 )(/ )1(1/ )1(3434343,kkpkkppitTcTcTTchhwww2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理232.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分

11、析pV02134p-V13 等压放热等压放热过程过程 41p整个过程是向大气放热；整个过程是向大气放热；p 机械功为机械功为0：p总放热量为：总放热量为： 041w) 1()(/ )1(1141441kkppTcTTchhq2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理242.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析p 比功比功 ) 1()11 ()()(/ )1(/ )1(1142321kkkkpppiTcTTcTTcqqwp 热效率热效率 或或) 1()11 ()()(/ )1(/ )1(11243,kkkkpp

12、picitiTcTTcTTcwwwkkiitqqqw/ )1(121,111p吸热量吸热量)()(/ )1(123231kkppTcTTcqq) 1()(/ )1(114412kkppTcTTcqqp放热量放热量2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理252.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析分析分析： 增压比增压比 ，加热比，加热比 和和 吸热量吸热量 ，比功，比功 ，热效率，热效率 之间的关系之间的关系1qiwit , 理想燃气轮机的热效率理想燃气轮机的热效率 只与增压比只与增压比 有关，有关， 随随

13、 增大而单调增加；增大而单调增加； 在加热比在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为最佳增最佳增压比压比，记为，记为 ，最佳增压比随加热比增大而增大；，最佳增压比随加热比增大而增大； 在增压比相同的条件下，比功在增压比相同的条件下，比功 随加热比增大而增大。随加热比增大而增大。it,it,optiw2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理262.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环2. 实际循环实际循环 p21341-2 多变压缩多变压缩n k 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多

14、变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀n涡扇涡扇涡喷涡喷 推力推力 ：螺旋桨：螺旋桨涡扇涡扇涡喷涡喷n 推力推力)2(2029ccqFma2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理342.1.3 推进器部分推进器部分 2. 发动机的推进效率发动机的推进效率n 衡量衡量可用功可用功转变为飞机转变为飞机前进的推进功前进的推进功的程度。的程度。 每千克空气通过发动机时每秒钟所做的每千克空气通过发动机时每秒

15、钟所做的推进功推进功为：为：0cFwsp2)()(22090092029cccccccEwwkp2)(209ccEk 排出气体的动能排出气体的动能， 可用功可用功 n 推进效率推进效率0912ccwwp2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理35 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.1 概述概述n 发动机的推力发动机的推力：发动机内外气体在各个表面上作用力的合力。发动机内外气体在各个表面上作用力的合力。8%200%20%110%18%228%128%100%2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理36 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.

16、1 概述概述解决解决：将发动机看成一个整体，通过计算发动机进口出将发动机看成一个整体，通过计算发动机进口出口气流动量的变化来确定发动机推力口气流动量的变化来确定发动机推力！n计算各部件的轴向力合力法来计算发动机的推力计算各部件的轴向力合力法来计算发动机的推力 困难困难进气进气排气排气A0A0A1A1A9A92021-12-15航空发动机原理航空发动机原理37 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.2 发动机推力公式的推导发动机推力公式的推导计算假设：计算假设：1. 1.流量系数流量系数 ；2. 2. 发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力

17、 ；3. 3. 气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。 001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0110AA0p2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理38 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.2 发动机推力公式的推导发动机推力公式的推导001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0outinFFF计算计算Fin 根据动量定理根据动量定理：199911cqcqApApFmamgin110AA011100cqcqApApmama ， 009909ApApcqcqFmamgin计算计算Fout090)(pAAFout2021

18、-12-15航空发动机原理航空发动机原理39 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.2 发动机推力公式的推导发动机推力公式的推导2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理40 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.3 用气动函数表示的推力公式的推导用气动函数表示的推力公式的推导009*99)(cqpfpAFma*2)(pcpf 发动机在地面工作时，发动机在地面工作时，C0=0)(09*99pfpAF 多数情况，尾喷管处于临界状态，多数情况，尾喷管处于临界状态，12591.1)(f2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理41 2.2 涡喷发动机推

19、力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.4 有效推力有效推力Fefn 表征实际工作中，考虑各种摩擦后的发动机实际推力。表征实际工作中，考虑各种摩擦后的发动机实际推力。DFFef发动机的各种阻力发动机的各种阻力发动机的内推力（计算推力）发动机的内推力（计算推力）fsaDDDD附加阻力附加阻力波阻波阻外表摩擦阻力外表摩擦阻力 时，应按照截面时，应按照截面1 1来计算。来计算。2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理42 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.4 有效推力有效推力Fefn 附加阻力附加阻力 aD001199A1A9A0计算假设计算假设1 1：流量系数流量系数 ；

20、110AA实际情况：实际情况：流量系数流量系数 ； 亚音速飞行时，亚音速飞行时， C C0 0C1C1时，时， C0C1 C0C1时，时， 超音速飞行时，取决于进气道前超音速飞行时，取决于进气道前面的激波状态。面的激波状态。1111 由于按照截面由于按照截面0计算，误将发动机前方的气流流管壁当成进气道的一部计算，误将发动机前方的气流流管壁当成进气道的一部分而计算其受到的向前的轴向力，这部分多算进去的推力即分而计算其受到的向前的轴向力，这部分多算进去的推力即附件阻力附件阻力。)()(10011ccqPPADmaa2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理43 2.2 涡喷发动机推力的计算涡

21、喷发动机推力的计算2.2.4 有效推力有效推力Fefn 波阻波阻 sD计算假设计算假设2 2：发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力 ；0p实际情况：实际情况： 亚音速飞行时，差别不大；亚音速飞行时，差别不大； 超音速飞行时，由于发动机短舱外存在激波，使得发动机表面压超音速飞行时，由于发动机短舱外存在激波，使得发动机表面压力大于大气压力力大于大气压力 ，这部分压差，这部分压差 在发动机轴向投影的总在发动机轴向投影的总和即为发动机的和即为发动机的波阻波阻 。 波阻大小与飞机的飞行速度、发动机短舱外形、发动机安装情况、波阻大小与飞机的飞行速度、发动机短舱外形、

22、发动机安装情况、尾喷管喷出的高速燃气流的干扰都有很大关系，需要实验方法确定。尾喷管喷出的高速燃气流的干扰都有很大关系，需要实验方法确定。 0p)(0pp sDdAPPDAAs01)(02021-12-15航空发动机原理航空发动机原理44 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.4 有效推力有效推力Fefn 外表摩擦阻力外表摩擦阻力 fD计算假设计算假设3 3：气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。 实际情况：实际情况： 发动机短舱外表面存在摩擦阻力发动机短舱外表面存在摩擦阻力 ； 大小与发动机短舱的外形及飞行马赫数和雷诺数有关，需要用实大小

23、与发动机短舱的外形及飞行马赫数和雷诺数有关，需要用实验方法确定。验方法确定。fD2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理45 2.2 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算2.2.4 有效推力有效推力Fef 发动机外部阻力与发动机短舱的形状、发动发动机外部阻力与发动机短舱的形状、发动机在飞机的安装位置以及飞行条件密切相关，在机在飞机的安装位置以及飞行条件密切相关，在不涉及某一架具体飞机而单独讨论发动机的推力不涉及某一架具体飞机而单独讨论发动机的推力时，不考虑这些阻力！时，不考虑这些阻力！2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理46 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率航空燃气轮机的性能指标及效率2.3.1 基本单位参数基本单位参数2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理47 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率航空燃气轮机的性能指标及效率2.3.1 基本单位参数基本单位参数2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理48 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率航空燃气轮机的性能指标及效率2.3.1 基本单位参数基本单位参数2021-12-15航空发动机原理航空发动机原理49 2