第三至五讲1.3-1.7 喷气发动机热力循环.ppt

1、第1.3节 喷气发动机热力循环,2020/10/11,航空发动机原理,2,1.3.1 循环的理想化条件,理想化假设条件 假设工质完成的是一个封闭的热力循环 假设压缩和膨胀过程是定熵过程 假设燃烧室为定压加热过程 忽略qmf ，假设气体为定质量（前后质量不便）的定比热容的完全气体,2020/10/11,航空发动机原理,3,1.3.2 布莱顿或定压加热循环,布莱顿或定压加热循环定义 循环组成 - 定熵压缩过程 - 定压加热过程 - 定熵膨胀过程 - 定压放热过程,布莱顿循环p-v图,2020/10/11,航空发动机原理,4,布莱顿循环的p-v图和T-s图,布莱顿循环的p-v图过程含义 01线 12

2、线 23线 34线 45线,布莱顿循环p-v图,2020/10/11,航空发动机原理,5,2 布莱顿循环的热效率,布莱顿循环的热效率 热效率的定义,其中：,问题：问什么W0=Q1-Q2,2020/10/11,航空发动机原理,6,对于定比热容的完全气体有: 对于定熵过程02有: 对于定熵过程35有:,2020/10/11,航空发动机原理,7,引入反映循环特性的参数-增压比 进气道的冲压比 ： 压气机的增压比 ： 所以 即：循环的增压比等于进气道的冲压比与压气机的增压比的乘积,2020/10/11,航空发动机原理,8,热效率推导： 所以：燃气涡轮喷气发动机理想循环的热效率取决于发动机的增压比和工质

3、的热容比,2020/10/11,航空发动机原理,9,在 一 定的情况下， 取决于空气在压缩过程中压力提高的程度 发动机的增压比 愈大， 则热效率 愈高。,图210 热效率随发动机增压比的变化,2020/10/11,航空发动机原理,10,3 理想循环功,W的推导计算：,2020/10/11,航空发动机原理,11,其中： 故：理想循环功取决于加热比和增压比,2020/10/11,航空发动机原理,12,图形分析 增压比一定， 加热比愈大， 循环功愈大。 最佳增压比 的定义,图211 理想循环功与增压比的关系,2020/10/11,航空发动机原理,13,2020/10/11,航空发动机原理,14,当实

4、际加热比为56时，opt1630 最大理想循环功为仅取决于加热比 当增压比很大时，在极限情况下，则加热量为零， 理想循环功也为零。,2020/10/11,航空发动机原理,15,4 实际循环,发动机实际工作过程 气体的成分发生变化； 热容比也随着气体成分和温度而发生变化； 存在流动损失,2020/10/11,航空发动机原理,16,压缩过程(0-2)： 认为是绝热的多变过程 膨胀过程(3-5)： 认为是绝热的多变过程 燃烧室中由于流动损失和加热热阻存在，加热伴随气流总压损失,2020/10/11,航空发动机原理,17,指示功,有效功,对涡喷发动机，对外输出功,涡喷发动机：对外输出的有效功完全用来增

5、加流过发动机气体的动能； 涡扇发动机：一部分有效功用来驱动外涵风扇； 涡轮螺桨发动机：有效功大部分用来驱动螺旋桨，小部分增加气体动能； 涡轮轴发动机：实际循环的全部有效功绝大部分用来驱动直升机的旋翼。,2020/10/11,航空发动机原理,18,有效功 影响实际循环功的因素：加热比、增压比、压缩效率、膨胀效率等,2020/10/11,航空发动机原理,19,热效率 影响发动机实际循环热效率的因素：加热比(或涡轮前燃气总温)、增压比、压气机效率 、涡轮效率。,t,2020/10/11,航空发动机原理,20,喷气发动机的推力,1 推力的产生 推力的定义 气体流过发动机时对发动机内外壳体作用力的合力在

6、发动机轴线方向的分力叫推力，用符号表示。 推力是合力 推力的分布,图216 推力的分布,2020/10/11,航空发动机原理,21,2 推力的计算公式 推力计算推导 控制体的选取 动量方程 气体为研究对象 简化条件假设 进气道的流量系数i等于1，即 发动机外表面的压力均等于外界大气压 气体流经发动机外表面时没有摩擦阻力,2020/10/11,航空发动机原理,22,动量方程（向后方向为正） 对气体的作用力: 0-0 截面（用0-0截面代替01-01截面） 5-5 截面 0-5内壁对气体的作用力为 所以,2020/10/11,航空发动机原理,23,发动机内壁对气体向后的作用力： 设Fin气体作用在

7、发动机内壁上的力，则Fin与fin大小相等，方向相反，故： 作用在发动机外表面上的轴向力Fout ，设方向向前，则,2020/10/11,航空发动机原理,24,发动机的推力F 为： 当发动机喷管处于完全膨胀p5p0时, 且忽略燃油质量qmf时，则： 地面工作时, V, 则,2020/10/11,航空发动机原理,25,喷气发动机的效率,1 实际循环热效率 实际循环热效率的因素： 加热比 增压比 压气机效率和涡轮效率 最经济增压比eco 定义,图2-14 热效率 实线(实际) 虚线(理想),2020/10/11,航空发动机原理,26,为什么eco opt 当opt后， 随着的增大，热效率t 仍缓慢

8、上升 直到eco后，随着的增大，最经济增压比eco大于最佳增压比opt。 压气机涡轮效率的含义,图 2-15 换算功和热量 随增压比变化,2020/10/11,航空发动机原理,27,热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失 发动机排出的燃气所带走的焓 ， 约为5575； 燃油在燃烧室中不完全燃烧的损失 通过发动机壁面向外散失的热量 后两项约为34。涡轮喷气发动机的热效率约为2540,2020/10/11,航空发动机原理,28,2推进效率 推进效率是发动机完成的推进功率与单位时间发动机从热力循环中获得的循环功（可用能量，这里为气体动能）的比值 推进功率FVVqm(V5V） 单位时间循环功

9、推进效率,2020/10/11,航空发动机原理,29,p分析： 取决于 ， 越大， 越低 V5V 时， p1.0，F=0 V时，p 在飞行中， 只要发动机的推力不为零， 推进效率总小于 能量分析,2020/10/11,航空发动机原理,30,3总效率0 推进功率与单位时间进入燃烧室的燃油完全燃烧所释放出的热量的比值 Hu是燃油的低热值， 即一公斤燃油完全燃烧所释放出的热量（燃烧产物中的水蒸汽是气体状态） 三者之间的关系0tp,2020/10/11,航空发动机原理,31,2020/10/11,航空发动机原理,32,喷气发动机的性能指标,1 推力指标 推力F 推力是发动机最主要的性能指标 但决不能只

10、以它的大小来衡量发动机的好坏 因为它并不能表明发动机有多大尺寸, 有多少重量 也不知道消耗多少燃油才产生这样大的推力,2020/10/11,航空发动机原理,33,单位推力 Fs 定义 单位推力是发动机最重要的性能指标之一 在给定飞行条件, 发动机尺寸和重量的情况下, 单位推力愈大, 则发动机的推力也愈大,2020/10/11,航空发动机原理,34,推重比Fw 它对飞机的最大平飞速度、升限、爬升速度等性能及有效载重量等都有直接的应响 迎面推力FA 发动机的推力与发动机最大迎风面积的比值,2020/10/11,航空发动机原理,35,经济指标,燃油消耗量qmf 单位时间进入燃烧室的燃油质量 qmf不能完全反映发动机的经济性能差 qmf是一个重要的监控参数 因为随着发动机性能的下降及故障的出现, 燃油消耗量将增加 故可以根据燃油消耗量和排气温度的变化, 判别发动机性能衰退的情况和故障,2020/10/11,航空发动机原理,36,燃油消耗率sfc 定义：产生单位推力在一小时内所消耗的燃油质量称为燃油消耗率 sfc与0之间的关系,2020/10/11,航空发动机原理,37,在一定的飞行马赫数下, 燃油消耗率与发动机的总效率成反比 在一定的飞行马赫数下, 燃油消耗率表示了发动机的