理想发动机的参数分析

1、理想发动机的参数分析l理想涡轮发动机l理想的涡轮喷气飞机和加力燃烧室l理想的涡扇发动机l优化涵道比理想的涡扇l具有最佳风扇压比的理想的涡扇发动机l理想脉冲爆震发动机 涡轮喷气发动机的工作过程涡轮喷气发动机的工作过程 组成组成 ：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管。进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管。进气道进气道：将足够的空气量将足够的空气量, 以最小的流动损失顺利以最小的流动损失顺利地引入压气机。地引入压气机。 压气机压气机：通过高速旋转的叶片对空气作功通过高速旋转的叶片对空气作功, 压缩空压缩空气气, 提高空气的压力。提高空气的压力。 燃烧室燃烧室：高压空气和燃油混合高压空气和燃油混合, 燃

2、烧燃烧, 将化学能转变将化学能转变为热能为热能, 形成高温高压的燃气。形成高温高压的燃气。 涡轮涡轮：高温高压的燃气在涡轮内膨胀高温高压的燃气在涡轮内膨胀, 向外输出功向外输出功, 去带动压气机。去带动压气机。喷管喷管：使燃气继续膨胀使燃气继续膨胀, 加速加速, 提高燃气的速度。提高燃气的速度。一、涡轮喷气发动机的理想循环v燃气涡轮喷气发动机的理想化条件燃气涡轮喷气发动机的理想化条件 假设工质完成的是一个封闭的热力循环假设工质完成的是一个封闭的热力循环 略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换, 忽忽略实际过程中的摩擦略实际过程中的摩擦, 假

3、设在燃烧室中进行的燃油燃烧释假设在燃烧室中进行的燃油燃烧释放出热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程放出热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程, 并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低, 从而用从而用定定压加热过程压加热过程代替之代替之喷入的燃油的质量忽略不计喷入的燃油的质量忽略不计, 而且假定工质是定质量的定而且假定工质是定质量的定比热容的完全气体比热容的完全气体喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程。 布莱顿循环由绝热压缩过程布莱顿循环由绝热压缩过程1-21-2、等压加热过程、等压加热过程2-3

4、2-3、绝、绝热膨胀过程热膨胀过程3-43-4和等压放热过和等压放热过程程4-14-1组成。由于这个循环在组成。由于这个循环在等压加热，故也称为等压加等压加热，故也称为等压加热循环。涡轮喷气发动机和热循环。涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机的理想循环冲压喷气发动机的理想循环就是布莱顿循环。就是布莱顿循环。布莱顿循环布莱顿循环在等压加热过程在等压加热过程2-32-3中，加给工质的热量为中，加给工质的热量为： q q1 1= Cp(T= Cp(T3 3 - T- T2 2) )在等压放热过程在等压放热过程4-14-1中，工质放出的热量为中，工质放出的热量为： q q2 2= Cp(T= Cp(T4 4

5、 - T- T1 1) )由于理想循环由于理想循环w w0 0 = q= q1 1- q- q2 2 所以，布莱顿循环的理想循环作功为：所以，布莱顿循环的理想循环作功为： w w0 0 = Cp(T = Cp(T3 3- T- T2 2)- Cp(T)- Cp(T4 4- T- T1 1) ) 式中：式中：T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4分别为工质状态分别为工质状态1 1、2 2、3 3、4 4时的温度。时的温度。改写为：改写为： 0241113211TwqTTqqTT 布莱顿循环的理想循环效率为：布莱顿循环的理想循环效率为：4141133222(1)11(1)TTTTT

6、TTTTTT而而 p p1 1 = p = p4 4 ，p p2 2 = p= p3 3 代入上式，得代入上式，得：1111442233()()kkkkTpTpTpTp因为和为绝热过程，所以因为和为绝热过程，所以：31442321TTTTTTTT11122111111()TkkkkTTpp 代入得代入得： 为工质被压缩后的压力为工质被压缩后的压力p p2 2与压缩前的压力与压缩前的压力p p1 1的比值，的比值，并称为增压比。并称为增压比。布莱顿循环 *3T1kg工质所作的循环功（加热量与放热量之工质所作的循环功（加热量与放热量之差）差）：1*3011(1)(1)kkpkkLC TT越大，表示

7、涡轮前的温度越高，越大，表示涡轮前的温度越高，循环功越大，热效应越高。循环功越大，热效应越高。循环的热效率111kk （发动机增压比（发动机增压比 ）越高，热效率越高）越高，热效率越高使循环功达到最大值时的增压比称为最佳增压比使循环功达到最大值时的增压比称为最佳增压比*20/PP225022TkccLLLLk 、LT分别表示压气机的压缩功和涡轮的膨胀功分别表示压气机的压缩功和涡轮的膨胀功。对于涡轮喷气发动机，两者相等，所以有。对于涡轮喷气发动机，两者相等，所以有：225022ccL 用机械能的形式表示用机械能的形式表示发动机涡轮前温度越高，循环功越大，排气速度发动机涡轮前温度越高，循环功越大，

8、排气速度越大越大发动机在实际工作过程中的损失发动机在实际工作过程中的损失v气流在进气道、压气机压缩过程中的流动损失气流在进气道、压气机压缩过程中的流动损失v气流在燃烧室中有流动损失和加热过程中的热气流在燃烧室中有流动损失和加热过程中的热阻损失，压力下降。阻损失，压力下降。v气流膨胀过程中有流动损失。气流膨胀过程中有流动损失。v定压放热过程只有热损失，没有流动损失，所定压放热过程只有热损失，没有流动损失，所以，实际的放热过程与理想循环的放热过程相以，实际的放热过程与理想循环的放热过程相同同。摩擦降低了总压，热阻损失降低了总温摩擦降低了总压，热阻损失降低了总温 涡轮喷气发动机推力和涡轮喷气发动机推

9、力和效率效率一、推力的产生气流流过发动机时，发动机的内壁及各部件对气体气流流过发动机时，发动机的内壁及各部件对气体施加作用力，使其动量发生变化，而气体必然同时施加作用力，使其动量发生变化，而气体必然同时给予发动机及各部件以反作用力。这些反作用力在给予发动机及各部件以反作用力。这些反作用力在轴向分力的合力，即推力。轴向分力的合力，即推力。v推力：提供给飞机，克服飞机前进阻力或使飞机加推力：提供给飞机，克服飞机前进阻力或使飞机加速而作功的力。速而作功的力。v有效推力发动机内推力有效推力发动机内推力 短舱的阻力短舱的阻力有效推力有效推力5050501500001()()()efgafFG CG CP

10、PAPPdAPPdAD50()aFG CC当燃气在喷管中当燃气在喷管中完全膨胀时完全膨胀时内推力内推力50505()gaFG CG CPPA50gaFG CG C忽略流量差别时忽略流量差别时涡喷发动机的推力分布涡喷发动机的推力分布推力的分布 由图可以看出由图可以看出进气道，压气机，燃烧室产生的力是向前进气道，压气机，燃烧室产生的力是向前的；的；涡轮，喷管产生的力是向后的。涡轮，喷管产生的力是向后的。向前的力减去向后的力就等于推力。向前的力减去向后的力就等于推力。其中以压气机产生的力所占的比例最大。其中以压气机产生的力所占的比例最大。二、推进功率和推进效率二、推进功率和推进效率假设：飞机等速平飞

11、假设：飞机等速平飞推进功率推进功率：0pNF C22502aaccNG LGL每公斤气流的循环功每公斤气流的循环功发动机在热力循环中发动机在热力循环中产生的功率产生的功率推进效率推进效率022502paFCCCGC5/C0 越大，推进效率越小越大，推进效率越小当当C00，没有推进功，没有推进功当当C5C0，效率为，效率为1，但，但F为零为零 5021/pcc发动机损失的能量：发动机损失的能量：2250500()2paaccNNGGccc2225050500()()22cccccc c排气速度与飞行速度相差越大，动能损失越多排气速度与飞行速度相差越大，动能损失越多每公斤气流损失的能量：每公斤气流

12、损失的能量：v热效率：热效率：在在循环中循环中加热量有多少转变为机械功加热量有多少转变为机械功。影响喷气发动机实际循环热效率的因素有三个影响喷气发动机实际循环热效率的因素有三个, , 它们是它们是: : 加热比加热比、增压比增压比、压气机效率和涡轮效率压气机效率和涡轮效率。v加热比加热比, (, (涡轮前温度或涡轮前燃气总温涡轮前温度或涡轮前燃气总温): ): 随着加热比随着加热比, , 或或涡轮前温度涡轮前温度, ,的提高的提高, , 热效率也增大。热效率也增大。v增压比增压比: : 增压比增压比的提高的提高, , 实际循环的热效率增大实际循环的热效率增大, ,当增压比当增压比等于最经济增压

13、比时等于最经济增压比时, , 实际循环热效率达到最大实际循环热效率达到最大, ,以后再提高以后再提高增压比增压比, , 实际循环的热效率实际循环的热效率tt反而下降。反而下降。 v压气机效率和涡轮效率压气机效率和涡轮效率: : 压气机效率和涡轮效率增大压气机效率和涡轮效率增大, ,热效率也热效率也提高。提高。三、总效率三、总效率定义：加入燃烧室的燃油完全燃烧时放出的定义：加入燃烧室的燃油完全燃烧时放出的热量，有多少转变为推进功。热量，有多少转变为推进功。00asF cGqqs每公斤空气所提供的热量每公斤空气所提供的热量总效率（总效率（0.200.30） 热效率（热效率（0.250.4）推进效率

14、（推进效率（0.500.75）提高总效率的措施：提高总效率的措施：v提高热效率，如提高压气机增压比，涡轮前提高热效率，如提高压气机增压比，涡轮前燃气温度；燃气温度；v提高推进效率，减小提高推进效率，减小C5和和C0之间的差值。之间的差值。 涡轮喷气发动机的性能指标和基涡轮喷气发动机的性能指标和基本要求本要求一、涡轮喷气发动机的性能指标（一）推力性能指标（一）推力性能指标1、推力推力F（最主要指标，单位（最主要指标，单位N，英磅），英磅）推力和发动机功率之间的关系推力和发动机功率之间的关系：22502accNG50()aFG cc50()/2NF cc发动机发出的功率与飞行速度和排气速度的平均值

15、发动机发出的功率与飞行速度和排气速度的平均值有关有关。2、单位推力单位推力Fs定义：发动机推力定义：发动机推力/发动机空气流量（单位发动机空气流量（单位 N s/kg，dN s/kg）/saFF G表示每公斤空气每秒所产生的推力表示每公斤空气每秒所产生的推力流量相同，单位推力越大，发动机流量相同，单位推力越大，发动机推力越大推力越大3、推重比、推重比Fw定义：发动机地面最大工作状态下的推力定义：发动机地面最大工作状态下的推力/发动发动机的净重机的净重涡喷发动机推重比为涡喷发动机推重比为3.54涡轮风扇发动机推重比达涡轮风扇发动机推重比达8以上以上4、单位迎面推力、单位迎面推力FA定义：发动机推力定义：发动机推力/发动机最大迎风面积发动机最大迎风面积最大迎风面积相同时，最大迎风面积相同时，FA越大，推力越大，推力F越大越大推力推力F相同时，相同时，FA越大，发动机迎风面积越小越大，发动机迎风面积越小经济性能指标1、燃油消耗量、燃油消耗量Gf（单位（单位