能源學(xué)院發(fā)動(dòng)機(jī)熱力計(jì)算課程設(shè)計(jì)報(bào)告最終版

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）課程名稱： 飛行器動(dòng)力裝置 設(shè)計(jì)題目： 發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力計(jì)算 院 系： 能源學(xué)院 班 級(jí)： 1202201 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 宋彥萍 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015.12.28 - 2016.1.15 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名 院 （系）：能源科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)：飛行器動(dòng)力工程 班 號(hào)：1202201 任務(wù)起至日期： 2015 年 12 月 28 日 至 2016 年 1 月 15 日 課程設(shè)計(jì)題目： 發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力計(jì)算 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 技術(shù)要求：飛行高度11km；飛

2、行馬赫數(shù)1.6；總增壓比8.8；渦輪進(jìn)口溫度1343K；其他參數(shù)請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)選定。(WP13)設(shè)計(jì)要求：耗油率£2.29kg/(daN×h) 工作量： 1、完成發(fā)動(dòng)機(jī)某狀態(tài)點(diǎn)的氣動(dòng)熱力計(jì)算； 2、編制氣動(dòng)計(jì)算程序； 3、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 工作計(jì)劃安排： 1、2015.12.28 2015.01.01 掌握熱力計(jì)算步驟，查找相關(guān)資料確定部件參數(shù)； 2、2016.01.04 2016.01.08 編程進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱力計(jì)算，選取最合理的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程參數(shù)； 3、2016.01.11 2016.01.15 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 無(wú) 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 系

3、主任意見(jiàn)： 同意 系主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）一、課程設(shè)計(jì)的目的和意義二戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，飛機(jī)的性能得到了迅猛的發(fā)展，飛行速度達(dá)到700800公里每小時(shí)，高度達(dá)到了10000米以上，但人們突然發(fā)現(xiàn)，螺旋槳飛機(jī)似乎達(dá)到了極限，盡管工程師們將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越提越高，從1000千瓦，到2000千瓦甚至3000千瓦，但飛機(jī)的速度仍沒(méi)有明顯的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)明顯感到“有勁使不上”。因此要想進(jìn)一步提高飛行性能，必須采用全新的推進(jìn)模式，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特點(diǎn)是完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)分為離心式與軸

4、流式兩種，離心式由英國(guó)人弗蘭克·惠特爾爵士于1930年取得發(fā)明專利，但是直到1941年裝有這種發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)才第一次上天，沒(méi)有參加第二次世界大戰(zhàn)，軸流式誕生在德國(guó)，并且作為第一種實(shí)用的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me-262的動(dòng)力于1944夏投入戰(zhàn)場(chǎng)。與離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，軸流式具有橫截面小，壓縮比高的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)今的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)均為軸流式。軍用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣速度高，低速耗油相對(duì)較高，推力完全來(lái)自于燃燒室噴出的高溫燃?xì)猓瑖姎馑俣雀?，高空高速性能好，適合長(zhǎng)時(shí)間高速飛行。盡管現(xiàn)階段渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸被渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所取代，但是按照飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)在那階段發(fā)揮了極其優(yōu)越的性能并符合了不可代替的性能要

5、求3。本次課程設(shè)計(jì)了解軍用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本步驟，熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程，加深前期知識(shí)的融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)對(duì)軍用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱力計(jì)算以及設(shè)計(jì)全過(guò)程的掌握。二、課程設(shè)計(jì)中選用發(fā)動(dòng)機(jī)的背景介紹渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作從1978年開始全面展開，1980年，首批3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開始進(jìn)行調(diào)試試車，到1984年先后完成了可靠性試車、高空臺(tái)模擬試車、露天臺(tái)性能試車及長(zhǎng)期試車考核，測(cè)試結(jié)果表明各方面性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，1985年開始裝機(jī)試飛，滿足了殲-8飛機(jī)的研制進(jìn)度。渦噴13AII型發(fā)動(dòng)機(jī)采用高溫渦輪，提高渦輪前溫度，從而增加了推力，保證了飛機(jī)的飛行性能。80年代末，隨著殲-8飛機(jī)的定型生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的渦噴13A發(fā)動(dòng)機(jī)也開始

6、了研制，改進(jìn)的主要方向放到提高性能及可靠性上，并采取了多項(xiàng)措施，如為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，將2到7級(jí)壓氣機(jī)的鋼機(jī)匣改為鑄鈦機(jī)匣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕了12.9千克；將級(jí)渦輪葉片改為空心氣冷葉片，對(duì)燃燒室和加力燃燒室也作了改進(jìn)。改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的前渦輪溫度提高了50度，發(fā)動(dòng)機(jī)的加力推力提高到了 64.7 千牛。多項(xiàng)試驗(yàn)表明，渦噴13A發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性好，工作穩(wěn)定，可靠性有了明顯的改善。1991年，渦噴13A開始進(jìn)入批量生產(chǎn)，成為量產(chǎn)殲-8的改型機(jī)殲-8B的標(biāo)配動(dòng)力。取得已有成績(jī)的基礎(chǔ)上，貴州黎陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（原貴州航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠）在“小步快跑、量力而行”原則指導(dǎo)下，又開始對(duì)渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能上進(jìn)行發(fā)展和

7、完善。 1993年，作為殲-7E飛機(jī)的配套動(dòng)力開始投入批量生產(chǎn)。為滿足殲-7C型飛機(jī)的改型需要，在F型的基礎(chǔ)上又研制出了渦噴13F型發(fā)動(dòng)機(jī)，重新設(shè)計(jì)了第一級(jí)壓氣機(jī)，并在壓氣機(jī)的機(jī)匣上采用了附面層控制技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器， 1994年設(shè)計(jì)定型。 1993 年，殲-8飛機(jī)的最新改型殲-8M飛機(jī)開始研制，其特點(diǎn)是突出中低空機(jī)動(dòng)性能及載彈量，因此需要加大飛機(jī)的動(dòng)力。1993年3月，在渦噴13A的基礎(chǔ)上，新型渦噴13B發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作開始。該發(fā)動(dòng)機(jī)的各方面性能都是渦噴13系列中性能最好的，主要是在壓氣機(jī)、機(jī)匣、渦輪葉片及加力燃燒室上作了重大的改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的加力推力提高到了68.6千牛，耗

8、油率則下降了2.5%，達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。殲-8II飛機(jī)上裝備了2臺(tái)渦噴13AII發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然比渦噴7在各方面有了較大的提高，但是其固有的性能缺陷使殲-8II的飛行性能不能得到完全發(fā)揮，未來(lái)將更有可能被更為先進(jìn)的“昆侖”發(fā)動(dòng)機(jī)所取代1。渦噴13是在渦噴7發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制性能上（特別是穩(wěn)定性、可靠性）進(jìn)一步提高的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種新穎的改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)，與渦噴7相比，渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)在性能上有了很大的提高。它是由8級(jí)軸流式壓氣機(jī)、環(huán)管燃燒室、雙級(jí)渦輪、加力燃燒室等組成，它采用了氣冷式I級(jí)帶冠葉片、壓氣級(jí)增設(shè)了防喘振裝置，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和可靠性。該機(jī)第一次翻修技術(shù)壽命為300小時(shí)。結(jié)構(gòu)上主要是對(duì)

9、壓氣機(jī)進(jìn)行了大幅度改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度明顯提高，低壓轉(zhuǎn)子加了軸間軸承，振動(dòng)小，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤和葉片大量使用了鈦合金，既減輕了重量又提高了葉片的工作強(qiáng)度。此外，還增加了較為先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的控制性能，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力也提高到了43.1千牛，加力推力則達(dá)到了64.7千牛，分別比渦噴7提高了50%和15%。后經(jīng)過(guò)改進(jìn)的渦噴13AII發(fā)動(dòng)機(jī)作為殲-8的動(dòng)力裝置。渦噴13系列發(fā)動(dòng)機(jī)的研制使我國(guó)結(jié)束了不能研制生產(chǎn)高性能渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史，雖然其性能及技術(shù)還不是特別先進(jìn)，但卻是我國(guó)從仿制改型向自行設(shè)計(jì)制造的重要轉(zhuǎn)變2。圖1給出了WP13渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)件圖。圖1 WP13雙轉(zhuǎn)子加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)

10、機(jī)結(jié)構(gòu) 三、熱力計(jì)算步驟和結(jié)果熱力計(jì)算中采用如圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)截面符號(hào)。3.1 已知參數(shù)假設(shè)設(shè)計(jì)點(diǎn)飛行條件為 相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件為 選取的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程參數(shù)為 預(yù)計(jì)的部件效率或損失系數(shù)為 進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)： 高壓低壓壓氣機(jī)效率： 燃燒效率： 燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)： 高壓渦輪效率： 加力燃燒室效率： 加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)： 高壓軸機(jī)械效率： 低壓軸機(jī)械效率： 功率提取機(jī)械效率： 空氣定熵指數(shù)： 空氣定壓比熱容： 燃?xì)舛刂笖?shù)： 燃?xì)舛刂笖?shù)： 氣體常數(shù)： 燃油低熱值：自高壓壓氣機(jī)后提取的空氣量系數(shù)為 冷卻高壓渦輪： 冷卻低壓渦輪：用于飛機(jī)的引氣系數(shù)：3.2 計(jì)算步驟1、0-0截面的溫度和

11、壓力已知H=11km， 聲速 ： 0-0截面氣流速度：總壓 ： 總溫 ： 2、進(jìn)氣道出口總溫和總壓總壓： 總溫： 3、壓氣機(jī)出口參數(shù)壓氣機(jī)分為低壓3級(jí)，高壓5級(jí)，進(jìn)行分配，低壓壓氣機(jī) 總壓 ： 總溫 ： 高壓壓氣機(jī) 總壓 ： 總溫 ： 4、燃燒室出口參數(shù)燃燒室出口溫度為 ：油氣比：總壓：5、渦輪出口參數(shù) 渦輪只有兩級(jí)，將膨脹比進(jìn)行分配：高壓渦輪總壓： 高壓渦輪總溫：低壓渦輪總壓： 低壓渦輪總溫： 6、加力燃燒室參數(shù)總溫： 加力油氣比：加力總油氣比：不加力總油氣比：總壓： 7、尾噴管出口參數(shù)總壓：總溫： 馬赫數(shù)：靜溫： 出口聲速： 排氣速度： 8、發(fā)動(dòng)機(jī)單位性能參數(shù)加力時(shí)單位推力：不加力單位推力

12、：加力耗油率： 不加力耗油率：四、熱力計(jì)算結(jié)論經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，加力耗油率為0.192208 kg/（N·h），小于設(shè)計(jì)要求加力耗油率0.229kg/（N·h），滿足設(shè)計(jì)要求，有望實(shí)現(xiàn)較優(yōu)性能。參考文獻(xiàn)1 張皖南. 渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)：殲7飛機(jī)的動(dòng)力裝置J. 國(guó)際航空, 1989(1):37-39.2 馬立明, 張紹基. 某渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加力數(shù)控系統(tǒng)的仿真和試車驗(yàn)證（WP13數(shù)控加力系統(tǒng)的仿真和試車驗(yàn)證）C/ 中國(guó)航空學(xué)會(huì)第三屆動(dòng)力年會(huì). 1993.3 百度百科詞條. 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī).附錄 計(jì)算程序Ma0=1.6;H=11;T0=216.7;P0=22700;PIcl=2.26;PIc

13、h=3.89;PIc=8.8;Tt4=1243;Tt6=1443;XTimax=0.97;YTcl=0.87;YTch=0.87;YTb=0.98;XTb=0.97;YTth=0.9;YTtl=0.9;YTab=0.97;XTab=0.96;XTc=0.98;YTmh=0.98;YTml=0.98;YTmp=0.98;K=1.4;Cp=1.005;Kg=1.3;Cpg=1.244;R=287;Hf=42900;XTH=0.05;XTL=0.05;BT=0.01;a0=sqrt(K*R*T0);c0=a0*Ma0;Pt0=P0*(1+(K-1)*0.5*Ma02)(K/(K-1);Tt0=T0*

14、(1+(K-1)*0.5*Ma02);XTi=0.97*(1-0.075*(Ma0-1)1.35);Pt2=XTi*Pt0;Tt2=Tt0;Pt35=Pt2*PIcl;Tt35=Tt2*(1+(PIcl(K-1)/K)-1)/YTcl);Pt3=Pt35*PIch;Tt3=Tt35*(1+(PIcl(K-1)/K)-1)/YTch);f=(Cpg*Tt4-Cp*Tt3)/(YTb*Hf-Cpg*Tt4);Pt4=Pt3*XTb;Pit=（1-Cp*Tt2*(Pic(K-1)/K)-1)）/(Cpg*Tt4*(1- XTL- XTH)*(1+f)*YTc*YTt*YTm)(Kg-1)/Kg);P

15、ith= Pitl=Pit0.5;Pt45=Pt4/Pith;Tt45=Tt4(1-(1-1/(Pith(Kg-1)/Kg)YTth;Pt5=Pt45/Pitl;Tt5=Tt45(1-(1-1/(Pitl(Kg-1)/Kg)YTtl;fab= (Cp6*Tt6-Cp5*Tt5)/(YTab*Hf-Cp6*Tt6);f0=(1-BT-XT1-XT2)*f+(1-BT)*fab;f00=(1-BT-XT1-XT2)*f;XTab=0.96;XTab1=0.98;Pt6=Pt6*XTab;Pt60=Pt6*XTab1;Pt7=XTc*Pt6;Pt70=XTc*Pt60;Tt7=Tt6;Tt70=Tt5;Ma7=sqrt(2/(Kg-1)*(Pt7/P9)(