第二部分-航空燃气轮机的工作原理.ppt

1、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-311,2020/7/30,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,2020/7/30,2,2020/7/30,航空发动机原理,3, 2.1 航空燃气轮机工作原理 2.1.1 发动机组成及简图 2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2.1.3 推进器部分 2.2 涡喷

2、发动机推力的计算 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,第二部分航空燃气轮机的工作原理,2020/7/30,3,2020/7/30,航空发动机原理,4,发动机组成,2.1 航空燃气轮机工作原理,2020/7/30,4,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,5,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,6,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,7,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,8,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,9,2.1.1 发动机组成及简图,2

3、020/7/30,航空发动机原理,10,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,11,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,12,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,13,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,14,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,15,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,16,2.1.1 发动机组成及简图,2020/7/30,航空发动机原理,17,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,燃气发生器是

4、各类燃气轮机的热机部分， 包括压气机、燃烧室和带动压气机的那部分涡轮。 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。 理想循环 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。 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（排热过程除外）和机械损失。,2.1 航空燃气轮机工作原理,2020/7/30,航空发动机原理,18,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,1. 理想循环,p,V,0,0,2,1,3,4,2,1,3,4,p-V,T,S,T-S,1-2 绝热压缩 2-3 等压加热 3-4 绝热膨胀 4-1 等压放热,202

5、0/7/30,航空发动机原理,19,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,1. 理想循环,（1）衡量燃气发生器性能的指标 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。 比功 ：单位质量空气所作的功。 （2）表示理想燃气轮机循环工作状态的参数 增压比 ：压气机出口静压与周围大气压力之比。 加热比 ：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,能量方程式,2020/7/30,航空发动机原理,20,2.1.2 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,绝热压缩过程 12,p,V,0,2,1,3,4,p-V,整个过程吸热为0； 两个阶段：

6、 11 迎面高速气流在进气道中的绝能流动，使工质减速增加； 11 压气机对工质做功。 总机械功：,2020/7/30,航空发动机原理,21,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等压加热过程 12,在燃烧室内完成； 工质所做的机械功为0： 工质吸热量：,为 循环的加热比,2020/7/30,航空发动机原理,22,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,绝热膨胀过程 34,整个过程吸热为0； 两个阶段： 33 在涡轮中完成，涡轮从工质中获得的机械功为： 34

7、在尾喷管或动力涡轮中完成，单位工质所做的功为。 总机械功：,2020/7/30,航空发动机原理,23,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等压放热过程 41,整个过程是向大气放热； 机械功为0： 总放热量为：,2020/7/30,航空发动机原理,24,2.1.2 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,比功,热效率,或,吸热量,放热量,2020/7/30,航空发动机原理,25,2.1.2 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,分析： 增压比 ，加热比 和 吸热量 ，比功 ，热效率

8、之间的关系,理想燃气轮机的热效率 只与增压比 有关， 随 增大而单调增加； 在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为最佳增压比，记为 ，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 随加热比增大而增大。,2020/7/30,航空发动机原理,26,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2. 实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,在压缩和膨胀两个绝热过程中，由于存在流动损失，过程中熵增加，因此将绝热过程改成多变过程，n代替k。 把燃烧室的压力损失归入总的膨胀过程，而燃烧过程仍可看做等压加

9、热过程。,2020/7/30,航空发动机原理,27,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2. 实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,表明压缩过程流动损失：,绝热压缩效率,2020/7/30,航空发动机原理,28,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2. 实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,表明膨胀过程流动损失：,绝热膨胀效率,2020/7/30,航空发动机原理,29,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2. 实际循环,p,

10、2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,总压缩过程中，外界对单位工质做功：,总膨胀过程中，单位工质对外界做功：,2020/7/30,航空发动机原理,30,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2. 实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,实际循环的比功,实际循环的热效率：,2020/7/30,航空发动机原理,31,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,分析： 增压比 ，加热比 和 吸热量 ，比功 ，热效率 之间的关系,实际循环的热效率 不只与增压比 有关

11、，而且与循环增压比 有关。 实际循环的效率随增压比增加，不再是单调增大，而起有一个极限值，使热效率达极大值的增压比为最经济增压比，记为 在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为最佳增压比，记为 ， 在实际循环中，随着循环加热比 越大，损失所占热量的比例相对减小，因此，加热比 越大， 越大， ， 越高。,2. 实际循环,2020/7/30,航空发动机原理,32,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,设计应用： 1、由于加热比 越大，循环的比功和热效率越高，所以设计燃气轮机时，应在材料耐热许可的情况下，尽量提高加热比。 2、在加热比选定的情况下， 增压比=最佳增压比时，比功

12、最大； 增压比=最经济增压比时，热效率最高； 因此，为了降低燃气轮机的耗油率同时又能输出较大的功率，设计增压比一般大于最佳增压比低于最经济增压比。,2. 实际循环,2020/7/30,航空发动机原理,33,2.1.3 推进器部分,1. 不同推进器的推力,推进器包括：尾喷管、螺旋桨、风扇和喷管等。 通过燃气发生器，每千克空气产生的可用功为 （比功）,在可用功相同条件下，流量较大的喷射流可获得较大的推力。 空气流量：螺旋桨涡扇涡喷 推力 ：螺旋桨涡扇涡喷,推力,2020/7/30,航空发动机原理,34,2.1.3 推进器部分,2. 发动机的推进效率,衡量可用功转变为飞机前进的推进功的程度。,每千克

13、空气通过发动机时每秒钟所做的推进功为：,排出气体的动能，,可用功,推进效率,2020/7/30,航空发动机原理,35, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.1 概述,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。,8%,200%,20%,110%,18%,228%,128%,100%,2020/7/30,航空发动机原理,36, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.1 概述,解决：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！,计算各部件的轴向力合力法来计算发动机的推力 困难 发动机各部件形状复杂，无法确切知道部件表面各处的气体压力和粘力！,2020/7

14、/30,航空发动机原理,37, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,计算假设： 流量系数 ； 发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力 ； 气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。,2020/7/30,航空发动机原理,38, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,计算Fin,根据动量定理：,，,计算Fout,2020/7/30,航空发动机原理,39, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,2020/7/30,航空发动机原理,40, 2.2 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,发动机在地面工

15、作时，C0=0,多数情况，尾喷管处于临界状态，,2020/7/30,航空发动机原理,41, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,表征实际工作中，考虑各种摩擦后的发动机实际推力。,发动机的各种阻力,发动机的内推力（计算推力）,附加阻力,波阻,外表摩擦阻力,时，应按照截面1来计算。,2020/7/30,航空发动机原理,42, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,附加阻力,计算假设1：流量系数 ；,实际情况：流量系数 ； 亚音速飞行时， C0C1时， C0C1时， 超音速飞行时，取决于进气道前面的激波状态。,由于按照截面0计算，误将发动机前方的气流流管壁当

16、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附件阻力。,2020/7/30,航空发动机原理,43, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,波阻,计算假设2：发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力 ；,实际情况： 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，使得发动机表面压力大于大气压力 ，这部分压差 在发动机轴向投影的总和即为发动机的波阻 。 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、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。,2020/7/30,航空发动机原理,44, 2.2 涡喷发动机推力的计

17、算,2.2.4 有效推力Fef,外表摩擦阻力,计算假设3：气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。,实际情况： 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，需要用实验方法确定。,2020/7/30,航空发动机原理,45, 2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,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！,2020/7/30,航空发动机原理,46, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2020/7/30,航空发动机原

18、理,47, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2020/7/30,航空发动机原理,48, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2020/7/30,航空发动机原理,49, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2020/7/30,航空发动机原理,50, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2020/7/30,航空发动机原理,51, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2020/7/30,航空发动机原理,52, 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2020/7/30,航空发