燃氣輪機-理論循環(huán)

1、第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-1 2-1 燃氣輪機循環(huán)的主要性能指標(biāo)燃氣輪機循環(huán)的主要性能指標(biāo) 1、比功比功流經(jīng)燃氣輪機的單位質(zhì)量工質(zhì)所輸出的機械功或單位質(zhì)量流經(jīng)燃氣輪機的單位質(zhì)量工質(zhì)所輸出的機械功或單位質(zhì)量 流量的工質(zhì)所輸出的功率流量的工質(zhì)所輸出的功率。 maqPdmdWw采用比功而不是總功率作為描述循環(huán)性能的指標(biāo)的原因：采用比功而不是總功率作為描述循環(huán)性能的指標(biāo)的原因： 功率不僅與循環(huán)性能有關(guān)，還與工質(zhì)流量有關(guān)功率不僅與循環(huán)性能有關(guān)，還與工質(zhì)流量有關(guān) / 而工質(zhì)流量基而工質(zhì)流量基本上由燃氣輪機的尺寸決定，與循環(huán)性能無關(guān)。本上由燃氣輪機的尺寸決定

2、，與循環(huán)性能無關(guān)。 cTwww忽略壓氣機和渦輪中流量的差別及機械損失等忽略壓氣機和渦輪中流量的差別及機械損失等裝置比功大，氣耗率就小，發(fā)出相同功率所需工質(zhì)流量小，裝置就可以造裝置比功大，氣耗率就小，發(fā)出相同功率所需工質(zhì)流量小，裝置就可以造的小。的小。 力爭提高比功。力爭提高比功。第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理通過燃氣輪機的一定量工質(zhì)輸出的有用功與輸入該工質(zhì)的燃料所含熱值之比通過燃氣輪機的一定量工質(zhì)輸出的有用功與輸入該工質(zhì)的燃料所含熱值之比 2、熱效率熱效率 和油耗率和油耗率 tsfcuufatfHwHqwq輸入輸出mamfqqf 衡量燃氣輪機的經(jīng)濟性，

3、即輸出單位功率每小時需消耗的燃油量衡量燃氣輪機的經(jīng)濟性，即輸出單位功率每小時需消耗的燃油量wfwqqsfcmamf36003600相互關(guān)系相互關(guān)系utHsfc3600對以對以推力推力衡量性能的航空燃氣輪機：衡量性能的航空燃氣輪機： 1、單位推力單位推力流經(jīng)航空燃氣輪機的單位質(zhì)量工質(zhì)所產(chǎn)生的推力流經(jīng)航空燃氣輪機的單位質(zhì)量工質(zhì)所產(chǎn)生的推力 masqFF smfFfFqsfc36003600 2、耗油率耗油率輸出單位推力（輸出單位推力（N N）每小時消耗的燃料量）每小時消耗的燃料量 第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-2 2-2 理想簡單燃氣輪機循環(huán)理想簡單燃

4、氣輪機循環(huán)工質(zhì)為空氣，可視為理想氣體；整個工質(zhì)過程中空氣的比熱為常數(shù)，不隨氣體工質(zhì)為空氣，可視為理想氣體；整個工質(zhì)過程中空氣的比熱為常數(shù)，不隨氣體的溫度和壓力而變化；的溫度和壓力而變化；整個工質(zhì)過程中沒有流動損失，絕熱過程為等熵，燃燒前后壓力不變，沒有熱整個工質(zhì)過程中沒有流動損失，絕熱過程為等熵，燃燒前后壓力不變，沒有熱損失（排熱過程除外）和機械損失。損失（排熱過程除外）和機械損失。定常流動能量方程：定常流動能量方程：BT1243 T-s 圖圖 p-v 圖圖 hvwhvq20202121第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理 1、絕熱壓縮過程（、絕熱壓縮過程（

5、1-2）：）：012q地面燃氣輪機：地面燃氣輪機：1212,hhwwic航空燃氣輪機：航空燃氣輪機：2121121211vvhh1212,2hhwwic12,21hhwwwicicic112121,21211hhvvwic) 1()(111212,kkppicTCTTChhw12PP 單位質(zhì)量工質(zhì)所作的機械功單位質(zhì)量工質(zhì)所作的機械功略去工質(zhì)流速變化第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理 燃燒室內(nèi)完成。工質(zhì)通過燃燒室與外界無機械功的燃燒室內(nèi)完成。工質(zhì)通過燃燒室與外界無機械功的傳遞，傳遞，工質(zhì)的流速變化可以忽略工質(zhì)的流速變化可以忽略。工質(zhì)吸熱：工質(zhì)吸熱：)()(1

6、1232323kkppTCTTChhq13TT 2、等壓加熱過程（、等壓加熱過程（2-3）：）： 3、絕熱膨脹過程（、絕熱膨脹過程（3-4）：）： 過程中工質(zhì)吸熱為零，單位質(zhì)量工質(zhì)所作的機械功的情過程中工質(zhì)吸熱為零，單位質(zhì)量工質(zhì)所作的機械功的情況與絕熱壓縮過程類似。況與絕熱壓縮過程類似。忽略渦輪進出口工質(zhì)流速變化忽略渦輪進出口工質(zhì)流速變化。地面燃氣輪機地面燃氣輪機：)11 (114334,kkpitTChhwwkkTT143航空燃氣輪機航空燃氣輪機：333hhw434hhw4343,hhwwwit第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理 4、等壓放熱過程（、等壓

7、放熱過程（4-1）：）： 此過程向大氣放熱此過程向大氣放熱,與等壓壓縮過程類似。工質(zhì)與外與等壓壓縮過程類似。工質(zhì)與外界無機械功的傳遞界無機械功的傳遞，工質(zhì)的流速變化可以忽略工質(zhì)的流速變化可以忽略。041w) 1()(11141441kkppTCTTChhq工質(zhì)對外界放熱工質(zhì)對外界放熱整個循環(huán)過程中單位質(zhì)量工質(zhì)從高溫?zé)嵩凑麄€循環(huán)過程中單位質(zhì)量工質(zhì)從高溫?zé)嵩?燃燒室燃燒室)中吸收熱量中吸收熱量,即燃燒過程加熱量即燃燒過程加熱量:)(11)23231kkppTCTTCqq) 1()(1114412kkppTCTTCqq向低溫?zé)嵩捶艧崃肯虻蜏責(zé)嵩捶艧崃? 理想簡單燃氣輪機循環(huán)的比功：理想簡單燃氣輪機循

8、環(huán)的比功：111)()(111142321kkkkpppiTCTTCTTCqqw第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理111111kkkkpTC即：即：)()(1243,TTCTTCwwwppiciti與前面的公式完全相同與前面的公式完全相同kkiitqqqw1121,111， 與與 無關(guān)無關(guān)it,3T it,理想簡單燃氣輪機循環(huán)的熱效率：理想簡單燃氣輪機循環(huán)的熱效率：比功達最大的比功達最大的稱為最佳增稱為最佳增壓比（最有利增壓比）：壓比（最有利增壓比）：增壓比增加使膨脹功等于壓縮增壓比增加使膨脹功等于壓縮功時，功時，稱為最大增壓比：稱為最大增壓比：0iw1m

9、ax,kkiiopt,0ddwi) 1(2,kkioptimax, iopt,imax,比功與比功與溫比壓比溫比壓比關(guān)系圖關(guān)系圖 第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-3 2-3 壓縮過程中間冷卻的理想簡單燃氣輪機循環(huán)壓縮過程中間冷卻的理想簡單燃氣輪機循環(huán)到達到相同壓比，等溫壓縮過程所耗功比等熵壓縮過程小，但真正等溫難達到。到達到相同壓比，等溫壓縮過程所耗功比等熵壓縮過程小，但真正等溫難達到。壓縮過程中間冷卻常用方法壓縮過程中間冷卻常用方法在航空燃氣輪機壓氣機進口處噴水冷卻來增加在航空燃氣輪機壓氣機進口處噴水冷卻來增加功率功率 / / 極限理想情況可看作等

10、溫過程；極限理想情況可看作等溫過程；兩級壓氣機之間進行一次中間冷卻或多級壓氣兩級壓氣機之間進行一次中間冷卻或多級壓氣機之間進行多次中間冷卻機之間進行多次中間冷卻 / / 理想情況可看作理想情況可看作等壓放熱過程。等壓放熱過程。趨于無窮多個，其極限理想情況也可看成等溫過程。趨于無窮多個，其極限理想情況也可看成等溫過程。等溫壓縮過程使循環(huán)面積增大。等溫壓縮過程使循環(huán)面積增大。表明：表明：在增壓比和加熱比不在增壓比和加熱比不變的情況下，等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)的比功大于理想簡變的情況下，等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)的比功大于理想簡單燃氣輪機循環(huán)的比功單燃氣輪機循環(huán)的比功。 1 1、等溫壓縮理想燃氣輪機循

11、環(huán)：、等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)：T-s 圖圖第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理等溫壓縮過程中，工質(zhì)的內(nèi)能和焓均不變。等溫壓縮過程中，工質(zhì)的內(nèi)能和焓均不變。 等溫壓縮過程放熱量（等溫壓縮過程放熱量（1-2）：）：按熱力學(xué)第一定律按熱力學(xué)第一定律ln1112, 2TCkkqp 2-3等壓加熱過程中吸收的熱量：等壓加熱過程中吸收的熱量： 4-1等壓放熱過程中放出的熱量：等壓放熱過程中放出的熱量：) 1()()(111131441, 2kkPkkppTCTTCTTCq 等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)的比功：等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)的比功：循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：1ln1

12、)11 (1132 , 141, 212, 2,kkqqqkkit) 1()()(1132332 , 1TCTTCTTCqpppln1111141, 212, 232 , 1kkTCqqqwkkpi第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理 等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)比功等溫壓縮理想燃氣輪機循環(huán)比功 效率效率等溫壓縮燃氣輪機循環(huán)的比功和熱效率隨壓比的變化圖iiww itit, 等溫壓縮燃氣輪機循環(huán)燃氣輪機的熱效率等溫壓縮燃氣輪機循環(huán)燃氣輪機的熱效率 ,itit, 2 2、壓縮過程一次中間冷卻的理想燃氣輪機循環(huán)：、壓縮過程一次中間冷卻的理想燃氣輪機循環(huán)：理想間冷燃氣輪

13、機循環(huán)示意圖和T-s 圖設(shè)循環(huán)總增壓比仍為設(shè)循環(huán)總增壓比仍為1/1ppa12/kkkkTTTb112122 2-3等壓加熱過程中吸收的熱量：等壓加熱過程中吸收的熱量：kkpkkppTCTTCTTCq11112132332 , 1)()(第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理 a-b 等壓放熱過程放出的熱量：等壓放熱過程放出的熱量： 4-1等壓放熱過程中放出的熱量：等壓放熱過程中放出的熱量：) 1()(111, 2kkpbapabTCTTCq) 1()()(111131441, 2kkPkkppTCTTCTTCq 一次中間冷卻理想燃氣輪機循環(huán)的比功：一次中間冷卻

14、理想燃氣輪機循環(huán)的比功：211)(1111141, 2, 232, 1kkkkkkpabiTCqqqw循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：kkkkkkabitqqq1111132 , 141, 2, 2,211211 1 iw 一定時一定時iwmax, iw代入代入 中，得出中，得出 一定時比功最大的總的一定時比功最大的總的iwopt對對 也可以進行類似分析，且存在一個熱效率達最大值的總的最佳增壓比：也可以進行類似分析，且存在一個熱效率達最大值的總的最佳增壓比： 原因：原因：壓比越高，壓比越高，T T2 2 越高，達到相同的越高，達到相同的T3 所需要的熱量越少；所需要的熱量越少； 壓比越高，壓比越高，T

15、4 越低，廢氣帶走的熱量與越多，對效率有利。越低，廢氣帶走的熱量與越多，對效率有利。 但，壓比提高過多時，比功下降太多，致使效率也下降。但，壓比提高過多時，比功下降太多，致使效率也下降。,itoptwopt第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-4 2-4 膨脹過程中一次中間加熱的理想燃氣輪機循環(huán)膨脹過程中一次中間加熱的理想燃氣輪機循環(huán)膨脹過程中一次中間加熱的燃氣輪機循環(huán)T-s 圖在不變動燃氣發(fā)生器的條件下，有效地增大燃氣輪機的功率或推力在不變動燃氣發(fā)生器的條件下，有效地增大燃氣輪機的功率或推力加力燃燒室：加力燃燒室：使殲擊機迅速起飛、爬升、加速和增大升限使

16、殲擊機迅速起飛、爬升、加速和增大升限 F15/F16的的F100發(fā)動機，發(fā)動機，B1-A的的F101發(fā)動機發(fā)動機 J7/J8的的WP13和和J10、J11的的AL31F和太行、昆侖發(fā)動機等和太行、昆侖發(fā)動機等航空燃氣輪機航空燃氣輪機：地面燃氣輪機地面燃氣輪機：加力燃燒室后無轉(zhuǎn)動部件加力燃燒室后無轉(zhuǎn)動部件 T Td d T T3 3中間加熱時，燃燒室后還有動力渦輪，中間加熱時，燃燒室后還有動力渦輪， 加熱溫度不能太高，加熱溫度不能太高，T Td d T T3 3膨脹過程中一次中間加熱后，也會使循環(huán)比功增大而效率降低膨脹過程中一次中間加熱后，也會使循環(huán)比功增大而效率降低作業(yè)：結(jié)合作業(yè)：結(jié)合T-s

17、圖，分析膨脹過程中間一次加熱時產(chǎn)生這種結(jié)果的原因圖，分析膨脹過程中間一次加熱時產(chǎn)生這種結(jié)果的原因第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-5 2-5 理想燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)理想燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)目的：提高燃氣輪機循環(huán)的熱效率目的：提高燃氣輪機循環(huán)的熱效率壓氣機和渦輪的比功都沒有改變壓氣機和渦輪的比功都沒有改變t0.200.320.250.36回?zé)徇^程的理想狀況是等壓吸熱和等壓放熱過程的熱交換量相等：回?zé)徇^程的理想狀況是等壓吸熱和等壓放熱過程的熱交換量相等：)()(2244TTCTTCapap回?zé)岫龋夯責(zé)岫龋簩嶋H熱交換量實際熱交換量/理想熱交換量理想熱交換量 242

18、224222444)()()()(TTTTTTCTTCTTCTTCapappap理想回?zé)幔豪硐牖責(zé)幔?1=1第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理與理想燃氣輪機循環(huán)相比，理想回?zé)嵫h(huán)的比功不變，只是由于回?zé)釡p少了燃料的與理想燃氣輪機循環(huán)相比，理想回?zé)嵫h(huán)的比功不變，只是由于回?zé)釡p少了燃料的加熱量。加熱量。加熱量為：加熱量為：)11 ()11 ()()(11134323,1kkpkkppapiRTCTCTTCTTCq 理想回?zé)崛細廨啓C循環(huán)的熱效率：理想回?zé)崛細廨啓C循環(huán)的熱效率：kkkkpkkkkpiRiiRtTCTCqw111111,1,111111壓氣機增壓比

19、越低，壓氣機增壓比越低， 越高越高 /原因：原因：壓比越低，壓氣機出口溫度越低，回?zé)崞髦信艍罕仍降?，壓氣機出口溫度越低，回?zé)崞髦信?氣余熱利用越充分。氣余熱利用越充分。iRt,第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理壓氣機增壓比越高，壓氣機增壓比越高， 越低越低 iRt,當(dāng)當(dāng) T2 = T4 時，排氣余熱無法利用。理想回?zé)崛細廨啓C循環(huán)時，排氣余熱無法利用。理想回?zé)崛細廨啓C循環(huán)理想簡單燃氣輪機循環(huán)理想簡單燃氣輪機循環(huán)臨界增壓比臨界增壓比kkcrkkcrTT131112kkcr此時，理想回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機熱效率：此時，理想回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機熱效率：kkcriRt1,11

20、)1(2kkopt類似與比功達最大值的類似與比功達最大值的若進一步提高壓比，若進一步提高壓比，當(dāng)當(dāng) cr時，時， T2 T4 壓氣機中部分熱量將通過回?zé)崞饔蓽u輪出口排出，壓氣機中部分熱量將通過回?zé)崞饔蓽u輪出口排出，使效率還低于理想簡單循環(huán)，使效率還低于理想簡單循環(huán)，毫無意義！毫無意義！第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-6 2-6 實際燃氣輪機循環(huán)分析實際燃氣輪機循環(huán)分析實際燃氣輪機循環(huán)T-s 圖理想燃氣輪機循環(huán)分析中，認為壓縮和膨脹過程是等熵的，理想燃氣輪機循環(huán)分析中，認為壓縮和膨脹過程是等熵的，沒有流動損失，且整個循環(huán)過程中比熱比保持不變。沒有流動損

21、失，且整個循環(huán)過程中比熱比保持不變。實際燃氣輪機中，實際燃氣輪機中，Cp隨氣體成分和溫度不斷變化，且各個隨氣體成分和溫度不斷變化，且各個工作過程中存在工作過程中存在流動損失流動損失。流動損失流動損失 氣流在流動過程中，由于存在附面層、湍流流動或激波，氣流在流動過程中，由于存在附面層、湍流流動或激波，使流動的氣流在靜壓不變的情況下降低了流速或者說降低的氣流的總壓。使流動的氣流在靜壓不變的情況下降低了流速或者說降低的氣流的總壓。絕熱流動中，氣流總溫不變，存在流動損失的絕熱流動過程是熵增過程絕熱流動中，氣流總溫不變，存在流動損失的絕熱流動過程是熵增過程 。 1 1、實際簡單燃氣輪機循環(huán)：、實際簡單燃

22、氣輪機循環(huán)：11111212nnckkccTTTT用絕熱壓縮效率表示壓縮過程流動損失用絕熱壓縮效率表示壓縮過程流動損失：用絕熱膨脹效率表示膨脹過程流動損失用絕熱膨脹效率表示膨脹過程流動損失：kkenneeTTTT1143431111第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理實際簡單燃氣輪機循環(huán)比功：實際簡單燃氣輪機循環(huán)比功：1111/113kkcekkpccetTCwwwiccww,實際簡單燃氣輪機循環(huán)的最佳增壓比實際簡單燃氣輪機循環(huán)的最佳增壓比： （由（由 ）0ddw12,kkceoptw實際簡單燃氣輪機循環(huán)的熱效率：實際簡單燃氣輪機循環(huán)的熱效率：1qwt111

23、1111212kkCCTTTTT11111111113kkCpkkCpTCTTC)(231TTCqp第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理1111111111kkckkckket不僅與壓比有關(guān)不僅與壓比有關(guān) 也與溫比有關(guān)也與溫比有關(guān)當(dāng)壓比超過此值時，由于流動損失的存在，熱效率開當(dāng)壓比超過此值時，由于流動損失的存在，熱效率開始下降，直到始下降，直到 ，此時循環(huán)的加熱量全部用于，此時循環(huán)的加熱量全部用于克服流動損失和向大氣放出熱量（克服流動損失和向大氣放出熱量（ ）。）。0t0w 隨加熱比的增加而增大。隨加熱比的增加而增大。max,特點：特點：加熱比越大，實際簡單

24、燃氣輪機循環(huán)的熱效率越高；加熱比越大，實際簡單燃氣輪機循環(huán)的熱效率越高；加熱比一定時，熱效率隨壓比的變化有一個熱效率加熱比一定時，熱效率隨壓比的變化有一個熱效率達最大值的達最大值的 ；max,第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理特點：特點：實際簡單燃氣輪機循環(huán)的比功和熱效率不僅實際簡單燃氣輪機循環(huán)的比功和熱效率不僅與增壓比和加熱比有關(guān)，還與壓縮和膨脹過程與增壓比和加熱比有關(guān)，還與壓縮和膨脹過程的效率有關(guān)，且隨二者的提高，循環(huán)的比功和的效率有關(guān)，且隨二者的提高，循環(huán)的比功和熱效率均要增大。熱效率均要增大。表中表中 壓比壓比=10=10，加熱比，加熱比=5=5，

25、 壓氣機效率壓氣機效率=0.85=0.85，渦輪效率，渦輪效率=0.90=0.90 隨隨 的增加，的增加， 和和 也增加，同也增加，同一加熱比下：一加熱比下： 設(shè)計增壓比：設(shè)計增壓比： max,wmax,max,max,wmax,max,w比功比功 w w熱效率熱效率 t t壓氣機效率增加壓氣機效率增加1%1%+0.94%+0.94%+0.94%+0.94%渦輪效率增加渦輪效率增加1%1%+1.95%+1.95%+1.95%+1.95%加熱比增加加熱比增加1%1%+1.95%+1.95%+0.69%+0.69%第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理實際簡單燃氣

26、輪機循環(huán)耗油率與熱力參數(shù)變化關(guān)系對不同燃氣輪機是不同的。實際簡單燃氣輪機循環(huán)耗油率與熱力參數(shù)變化關(guān)系對不同燃氣輪機是不同的。a）地面燃氣輪機：）地面燃氣輪機：b）航空燃氣輪機：）航空燃氣輪機：utHsfc3600 隨熱力參數(shù)的變化關(guān)系與效率一致隨熱力參數(shù)的變化關(guān)系與效率一致 只不過只不過 對應(yīng)對應(yīng) 最小值。最小值。sfctsfcsfc 0000000000036003600360036003600MHaMHaMHwCFHqwqaMCHFqaHqFfsfcuuptusumfmausmaumfs02020001221CCCCCCCwCFjjjsp推進效率推進效率： = p推進功（每秒流過發(fā)動機推進

27、功（每秒流過發(fā)動機1kg空氣所作的推進功）空氣所作的推進功）發(fā)動機的可用功發(fā)動機的可用功%7555p第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理作為一個推進器：作為一個推進器：航空發(fā)動機將可用功轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機前進的推進功，所以，推進效率是衡量航空發(fā)動機航空發(fā)動機將可用功轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機前進的推進功，所以，推進效率是衡量航空發(fā)動機的可用功轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M功的程度。的可用功轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M功的程度?？傂剩嚎傂剩簑CFqwqCFsspt000航空燃氣輪機作為熱機和推進器的組合體，應(yīng)該用總效率來衡量它的經(jīng)濟性。航空燃氣輪機作為熱機和推進器的組合體，應(yīng)該用總效率來衡量它的經(jīng)濟性。 總效率總效率

28、表示加入航空燃氣輪機的燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量有多少轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機飛表示加入航空燃氣輪機的燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量有多少轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機飛行的推進功行的推進功 。pw%30200熱效率、推進效率和壓比的關(guān)系圖耗油率和加熱比的關(guān)系圖對航空燃氣輪機來講，其耗油率絕不簡單對航空燃氣輪機來講，其耗油率絕不簡單與熱效率有關(guān)，而且還與推進效率有關(guān)，與熱效率有關(guān)，而且還與推進效率有關(guān)，不再象地面燃氣輪機那樣，對應(yīng)熱效率最不再象地面燃氣輪機那樣，對應(yīng)熱效率最高的最佳增壓比也是對應(yīng)耗油率最小的最高的最佳增壓比也是對應(yīng)耗油率最小的最佳增壓比。佳增壓比。 第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理

29、2 2、實際簡單燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)：、實際簡單燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)：理想回?zé)嶂?，未考慮流動損失，比功與理想燃氣輪機循環(huán)的理想回?zé)嶂?，未考慮流動損失，比功與理想燃氣輪機循環(huán)的比功相等。比功相等。實際循環(huán)中，存在流動損失，壓縮和膨脹過程都實際循環(huán)中，存在流動損失，壓縮和膨脹過程都是非等熵的，回?zé)崞鞯拇嬖诩哟罅藟簹鈾C和燃燒室以及排氣是非等熵的，回?zé)崞鞯拇嬖诩哟罅藟簹鈾C和燃燒室以及排氣系統(tǒng)的損失，因此，實際回?zé)嵫h(huán)過程中的比功將下降。系統(tǒng)的損失，因此，實際回?zé)嵫h(huán)過程中的比功將下降。24222422TTTTTTCTTCpp另外，實際回?zé)嵫h(huán)中，實際熱交換量低于理想熱交換量。另外，實際回?zé)嵫h(huán)中，實際熱交換量

30、低于理想熱交換量。 回?zé)岫龋夯責(zé)岫龋簭膲簹鈾C流出的空氣，經(jīng)回?zé)崞鲗嶋H吸收的熱量與最大可能吸收熱量之比。從壓氣機流出的空氣，經(jīng)回?zé)崞鲗嶋H吸收的熱量與最大可能吸收熱量之比。實際回?zé)嵫h(huán)T-s 圖燃燒室進口溫度：燃燒室進口溫度： 2421TTTckkekkTTT111111111132第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理實際燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)加熱量：實際燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)加熱量： 231TTCqpRckkekkpTCw1111113如果暫不考慮流動過程中的其它損失，該循環(huán)如果暫不考慮流動過程中的其它損失，該循環(huán)的比功和實際簡單燃氣輪機循環(huán)的比功相等。的比功和實際簡單燃

31、氣輪機循環(huán)的比功相等。ckkekkckkekkRRtqw111111111111111, 1,實際回?zé)嵫h(huán)熱效率和壓比的關(guān)系圖ceRt,Rt, 達最大值時，也存在達最大值時，也存在一個最經(jīng)濟增壓比一個最經(jīng)濟增壓比ecRec,第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理幾點結(jié)論：幾點結(jié)論： 加熱比越高，實際回?zé)嵫h(huán)的比功和熱效率也越高。因此，在材料耐熱性允許加熱比越高，實際回?zé)嵫h(huán)的比功和熱效率也越高。因此，在材料耐熱性允許的條件下，應(yīng)盡可能地提高加熱比。的條件下，應(yīng)盡可能地提高加熱比。 回?zé)崞鞯幕責(zé)岫仍酱?，循環(huán)熱效率越高，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣呋責(zé)岫?。回?zé)崞鞯幕責(zé)岫仍酱?，循環(huán)

32、熱效率越高，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣呋責(zé)岫取?實際回?zé)嵫h(huán)的最佳增壓比大于最經(jīng)濟增壓比實際回?zé)嵫h(huán)的最佳增壓比大于最經(jīng)濟增壓比 但當(dāng)增壓比大于最經(jīng)濟增壓比后，熱效率隨增壓比的變化比較平坦。但當(dāng)增壓比大于最經(jīng)濟增壓比后，熱效率隨增壓比的變化比較平坦。ecopt5 . 0 設(shè)計增壓比應(yīng)取在最佳增壓比設(shè)計增壓比應(yīng)取在最佳增壓比 的附近，使比功接近實際簡單燃氣輪機循的附近，使比功接近實際簡單燃氣輪機循環(huán)，而熱效率則大于實際簡單燃氣輪機循環(huán)。環(huán)，而熱效率則大于實際簡單燃氣輪機循環(huán)。optR,第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2-7 2-7 渦扇發(fā)動機熱力循環(huán)渦扇發(fā)動機熱力循環(huán)渦

33、扇發(fā)動機和渦噴發(fā)動機相比，由于將可用功分配給更大量渦扇發(fā)動機和渦噴發(fā)動機相比，由于將可用功分配給更大量的空氣，降低了尾噴管氣流的噴射速度，增大了發(fā)動機的推的空氣，降低了尾噴管氣流的噴射速度，增大了發(fā)動機的推力，提高了推進效率。力，提高了推進效率。采用渦扇，為了提高熱效率而提高渦采用渦扇，為了提高熱效率而提高渦輪前燃氣溫度不會給推進效率帶來不利影響。輪前燃氣溫度不會給推進效率帶來不利影響。1 1、渦扇發(fā)動機的性能參數(shù)：、渦扇發(fā)動機的性能參數(shù)：a）涵道比：）涵道比：通過外涵風(fēng)扇的空氣流量與通過內(nèi)涵燃氣發(fā)生器的空氣流量通過外涵風(fēng)扇的空氣流量與通過內(nèi)涵燃氣發(fā)生器的空氣流量之比，稱為渦扇發(fā)動機的涵道比。

34、之比，稱為渦扇發(fā)動機的涵道比。,Bmamaqqb）功分配系數(shù)：）功分配系數(shù)：傳給外涵的可用功與全部可用功之比。傳給外涵的可用功與全部可用功之比。ww傳給外涵每公斤空氣的功：傳給外涵每公斤空氣的功： BwwfTmb第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理c）單位推力：）單位推力：分開排氣渦扇發(fā)動機內(nèi)外涵氣流不在尾噴管內(nèi)摻混，在各自的尾噴管內(nèi)分開排氣渦扇發(fā)動機內(nèi)外涵氣流不在尾噴管內(nèi)摻混，在各自的尾噴管內(nèi)完全膨脹后分別以不同的速度噴出，其內(nèi)外涵單位推力為：完全膨脹后分別以不同的速度噴出，其內(nèi)外涵單位推力為：0js,CFC0js,CFC,ma,smasFqFqFFF,m

35、a,SSSBFFqFF渦扇發(fā)動機的單位推力有兩種表示法：渦扇發(fā)動機的單位推力有兩種表示法： 一種是發(fā)動機的總推力和內(nèi)涵空氣流量之比；一種是發(fā)動機的總推力和內(nèi)涵空氣流量之比； 一種是發(fā)動機總推力和內(nèi)外涵總空氣流量之比。一種是發(fā)動機總推力和內(nèi)外涵總空氣流量之比。對于不加力渦扇發(fā)動機，用發(fā)動機的總推力和內(nèi)涵空氣流量之比比較合理，這樣對于不加力渦扇發(fā)動機，用發(fā)動機的總推力和內(nèi)涵空氣流量之比比較合理，這樣相當(dāng)于把外涵作為發(fā)動機的推進器，與涵道比為零的渦噴發(fā)動機相比較，可以看相當(dāng)于把外涵作為發(fā)動機的推進器，與涵道比為零的渦噴發(fā)動機相比較，可以看出渦扇發(fā)動機方案后單位推力和推力的增大程度出渦扇發(fā)動機方案后單

36、位推力和推力的增大程度。不加力渦扇發(fā)動機的單位推力：不加力渦扇發(fā)動機的單位推力：第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理2 2、分開排氣渦扇發(fā)動機功分配系數(shù)和涵道比的選擇：、分開排氣渦扇發(fā)動機功分配系數(shù)和涵道比的選擇：首先討論燃氣發(fā)生器的可用功一定時怎樣選擇功分配系數(shù)和涵首先討論燃氣發(fā)生器的可用功一定時怎樣選擇功分配系數(shù)和涵道比道比,才能使渦扇發(fā)動機的推力最大。才能使渦扇發(fā)動機的推力最大。ww)1 ( 20, j)1 (2CCwp內(nèi)涵尾噴管出口燃氣噴射速度：內(nèi)涵尾噴管出口燃氣噴射速度：0,20,20,)1)2)1 (2CBCwBBCwBFFFpjpfTmpsss

37、（,20,20,b, j)22CpipfTmppCwBCwi , p,202)1 (21PjWCC外涵尾噴管出口空氣噴射速度外涵尾噴管出口空氣噴射速度：, pi分開排氣渦扇發(fā)動機的單位推力：分開排氣渦扇發(fā)動機的單位推力：外涵尾噴管中每公斤空氣所得到的功外涵尾噴管中每公斤空氣所得到的功,除內(nèi)涵傳給外涵的功除內(nèi)涵傳給外涵的功 以外，還有迎面氣流以外，還有迎面氣流動能通過進氣道減速增壓得到的功。動能通過進氣道減速增壓得到的功。bw第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理pjCCw2/202ppp 為研究渦扇發(fā)動機的優(yōu)越性，合理選擇功分配系數(shù)和涵道比，將渦扇發(fā)動機的單位

38、推為研究渦扇發(fā)動機的優(yōu)越性，合理選擇功分配系數(shù)和涵道比，將渦扇發(fā)動機的單位推力與相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機力與相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機 的單位推力對比。的單位推力對比。)0, 0(w)()1)()(00202022022CCCBCCCBBCCCFFjpifTmjjjs（推力或單位推力的相對比值：推力或單位推力的相對比值：jCCA/0令令)1 ()1)1 ()1 (1222AABAABBAFFpifTms（0dFdA、B為定值時為定值時：)( )1 ()(2222fTmfTmpifTmoptBAA 0, 00AC由由 并假定并假定 時：時：pppopt地面靜止條件下，當(dāng)?shù)孛骒o止條件下，當(dāng)fTm

39、, jj,CC一般情況下，當(dāng)一般情況下，當(dāng) 時，時，80. 075. 0fTmjjCC)80. 075. 0( 存在機械損失和流動損失存在機械損失和流動損失第二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理具體設(shè)計渦扇發(fā)動機時，功分配系數(shù)的選擇要考慮多方面的因素具體設(shè)計渦扇發(fā)動機時，功分配系數(shù)的選擇要考慮多方面的因素。為減少風(fēng)扇和發(fā)動。為減少風(fēng)扇和發(fā)動機的渦輪級數(shù)，使發(fā)動機的尺寸、重量和制造成本都能減少，功分配系數(shù)的選擇往往機的渦輪級數(shù)，使發(fā)動機的尺寸、重量和制造成本都能減少，功分配系數(shù)的選擇往往比最佳值小些，即：比最佳值小些，即：fTmCC, j, j75. 0fTm6

40、6. 0jjCC 美國美國JT3D發(fā)動機，在設(shè)計狀態(tài)下：發(fā)動機，在設(shè)計狀態(tài)下：4.4 4.4 (5.28)(5.28)309.2/472.5309.2/472.5CF-6CF-64.9 4.9 (5.10)(5.10)313.9/476.5313.9/476.5JT9DJT9D( (1.41.4) ) F100-PW-100: B=0.63F100-PW-100: B=0.63309.4/465.6309.4/465.6JT3DJT3DB BjjCC實際上，實際上，功分配系數(shù)的選擇往往使功分配系數(shù)的選擇往往使外涵風(fēng)扇出口總壓外涵風(fēng)扇出口總壓與與內(nèi)涵渦輪后的總壓內(nèi)涵渦輪后的總壓相接近。相接近。第

41、二章第二章 燃氣輪機循環(huán)理論燃氣輪機循環(huán)理論 燃氣輪機原理燃氣輪機原理研究涵道比研究涵道比B對渦扇發(fā)動機性能的影響對渦扇發(fā)動機性能的影響：將最佳功分配系數(shù)代入推力相對比值表達式將最佳功分配系數(shù)代入推力相對比值表達式在最佳功分配系數(shù)下，涵道比與最大比推力的關(guān)系曲線最佳功分配系數(shù)最佳功分配系數(shù)和和最大比推力最大比推力： 都是涵道比都是涵道比B和速度比和速度比A的函數(shù)。的函數(shù)。相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機 CCj j = 700m/s= 700m/s 在在A = 0.3A = 0.3時，時，飛行速度為：飛行速度為： 756 km/h756 km/h。在在A = 0.4 A = 0.4 時時， 在在B=2B=24 4左右出現(xiàn)極值（左右出現(xiàn)極值（1.101.10）：）： 相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機相同燃氣發(fā)生器的渦噴發(fā)動機 CCj j = 700 m/s= 700 m/s；飛行速度為：；飛行速度為： 1008km/h1008km/h。maxF在在A = 0.5 A = 0.5 時時，