第六章雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)

1、第六章雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)twin spool turbo-jet engine第6.1節(jié) 雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘原理和性能優(yōu)點(diǎn)avoiding surge occurred and other adventages of twin spool turbo-jet engine采用雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要目的是防止壓氣機(jī)喘振。雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)把一臺(tái)高設(shè)計(jì)增壓比的壓氣機(jī)分為二臺(tái)低設(shè)計(jì)增壓比的壓氣機(jī)，分別由各自的渦輪帶動(dòng)。低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪組成低壓轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪組成高壓轉(zhuǎn)子，雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)方案如圖6.1.1。 圖6.1.1  雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖為什么雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)

2、有效的防止壓氣機(jī)喘振？這個(gè)問題在前面已經(jīng)討論過了，現(xiàn)在聯(lián)系渦輪的工作狀態(tài)進(jìn)一步說明如下：    單軸的高設(shè)計(jì)增壓比壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作嚴(yán)重惡化，是由于沿壓氣機(jī)氣流通道軸向速度的重新分布所引起的，根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口和出口流量相等的條件，可以得到式中a2、a3、c2z、c3z、2和3分別代表壓氣機(jī)進(jìn)出口的面積、氣流軸向分速度和密度。上式可以改寫為    由多變壓縮過程的關(guān)系可得：式中  n多變指數(shù)分別用壓氣機(jī)進(jìn)出口的周向速度u2和u3除上式左邊的分子和分母，可得上兩式中k1和k2為常數(shù)。在速度三角形中cz/u稱為耗量系數(shù)。

3、60;   由上兩式可見，壓氣機(jī)增壓比的變化將導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)出口軸向速度之比和耗量系數(shù)之比也相應(yīng)地變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)相似參數(shù)變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種情況。發(fā)動(dòng)機(jī)相似參數(shù)的變化可能是由于轉(zhuǎn)速的變化引起的，也可能是在轉(zhuǎn)速不變時(shí)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度變化引起的，這兩種情況沒有本質(zhì)的差別。    由壓氣機(jī)的氣流速度三角形可以知道，耗量系數(shù)的變化影響著速度三角形的形狀，使氣流流入壓氣機(jī)葉片的攻角發(fā)生變化。例如，壓氣機(jī)進(jìn)口耗量系數(shù)c2z降低，將引起第一級(jí)壓氣機(jī)葉片的攻角增大；而壓氣機(jī)出口耗量系數(shù)c3z增加，將引起末級(jí)壓氣機(jī)葉片攻角減小。   

4、因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低后，壓氣機(jī)的最前面幾級(jí)和末后幾級(jí)都將偏離它們的設(shè)計(jì)狀態(tài)，中間各級(jí)由于耗量系數(shù)cz變化不大，因而工作狀態(tài)變化不大。壓氣機(jī)前后各級(jí)的攻角偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，首先使壓氣機(jī)級(jí)效率降低，進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下前后各級(jí)工作不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象對(duì)于高設(shè)計(jì)增壓比的壓氣機(jī)將更為嚴(yán)重。    通過上述分析，可以知道，要達(dá)到在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下前后各級(jí)協(xié)調(diào)地工作，最有效的方法是使各級(jí)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于各級(jí)進(jìn)口氣流軸向速度的重新分布而各自變化，以保證各級(jí)耗量系數(shù)cz不變。然而這在結(jié)構(gòu)上是不可能的，也不需要這樣。在一般情況下只要把壓氣機(jī)分成兩組就足夠了。這就成為雙

5、軸壓氣機(jī)和雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)。    當(dāng)雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低以后，高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，使前后各級(jí)能夠協(xié)調(diào)工作。為了說明這個(gè)現(xiàn)象，再進(jìn)一步分析壓氣機(jī)和渦輪工作的某些特點(diǎn)。    壓氣機(jī)由設(shè)計(jì)狀態(tài)降低轉(zhuǎn)速和增壓比時(shí)，前后各級(jí)的氣流軸向速度和耗量系數(shù)都將重新分布，前幾級(jí)的耗量系數(shù)降低，攻角加大；而后幾級(jí)的耗量系數(shù)加大，攻角減小。攻角的改變將引起各級(jí)加功量wc,i的變化。    對(duì)于前面幾級(jí)，攻角加大時(shí)，工作輪出口的氣流相對(duì)速度方向基本不變，因而氣流轉(zhuǎn)角加大，扭速wu加大。如果是壓氣機(jī)進(jìn)口溫度

6、增加使轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低而工作輪切線速度u不變時(shí)，級(jí)的加功量也加大。    對(duì)于后面幾級(jí)，流入角減小時(shí)，將使氣流轉(zhuǎn)角減小，扭速wu減小，因而級(jí)加功量wc,i減小。    總之，當(dāng)壓氣機(jī)增壓比降低時(shí)，低壓壓氣機(jī)的加功量wc,l和高壓壓氣機(jī)的加功量wc,h之比將加大，即式中下角注s表示設(shè)計(jì)狀態(tài)下的比值。    如果低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)用同一個(gè)比值降低轉(zhuǎn)速(這在雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)上當(dāng)然是不可能的，但為了便于分析，姑且這樣假設(shè))，那末上述加功量比值的變化關(guān)系仍然是正確的。因?yàn)?#160;   在較低的

7、轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)增壓比降低，高低壓壓氣機(jī)扭速的不同變化使得    綜上所述，無論是由于壓氣機(jī)進(jìn)口總溫增高或是由于轉(zhuǎn)速下降引起轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低，都會(huì)引起加功量的重新分配。    實(shí)驗(yàn)指出：某雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)當(dāng)c*,d=8時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低使c*降低到1.5時(shí)，。加功量重新分配的結(jié)果，將使低壓壓氣機(jī)要求較大的力矩才能帶動(dòng)，而高壓壓氣機(jī)要求較小的力矩。或者說，帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)顯得很“重”，而帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)則較“輕”。    下面再分析渦輪工作的特點(diǎn)。目前渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上所采用的多級(jí)渦輪的第一級(jí)渦輪導(dǎo)向器一般是

8、在臨界或接近臨界的工作狀態(tài)，因此，具有以下特點(diǎn)：    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管不可調(diào)，并處于臨界或超臨界狀態(tài)工作時(shí)，各級(jí)渦輪膨脹比是不變的。為了證明這種情況，寫出渦輪導(dǎo)向器和尾噴管之間的流量連續(xù)方程：                      (6.1-1)式中at,h和at,l分別代表高壓渦輪和低壓渦輪導(dǎo)向器的出口面積。    根據(jù)

9、多變過程方程可得式中n'為膨脹過程的多變指數(shù)。將此式代入(6.1-1)，可得同理可得式中t*,h和t*,l分別代表高壓渦輪和低壓渦輪的膨脹比。渦輪工作狀態(tài)變化時(shí)，渦輪效率以及多變指數(shù)n'變化不大。當(dāng)尾噴管在臨界或超臨界狀態(tài)下工作時(shí)，q(t,h)、q(t,l)、q(9)都是常數(shù)。在這種條件下，從上式可以看出，高壓渦輪和低壓渦輪的膨脹比都不變，即渦輪總膨脹比t*也不變，即    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管不可調(diào)，并處于臨界或超臨界狀態(tài)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)降低使各級(jí)渦輪前的燃?xì)鉁囟扰ct4*成正比變化，渦輪功在各級(jí)中的分配保持同樣的比例。  

10、60; 由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化時(shí)，渦輪效率變化不大，渦輪膨脹比保持常數(shù)，根據(jù)渦輪功的公式，可得                   (6.1-2)    總的渦輪功為                      (6.1-

11、3)    低壓渦輪功為                    (6.1-4)    由(6.1-2)和(6.1-4)式，可得                    &#

12、160;     (6.1-5)    由(6.1-5)式可以看出，當(dāng)尾噴管處于臨界或超臨界狀態(tài)下工作時(shí)，低壓渦輪功和高壓渦輪功之比等于常數(shù)。    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低，發(fā)動(dòng)機(jī)總的可用膨脹比下降，使尾噴管進(jìn)入亞臨界狀態(tài)工作時(shí)，渦輪膨脹比的減小首先發(fā)生在渦輪的最后一級(jí)，使低壓渦輪膨脹比和低壓渦輪功下降。只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降得很低時(shí)，高壓渦輪的膨脹比才開始降低。    因此，當(dāng)尾噴管在亞臨界狀態(tài)工作時(shí)，渦輪功之比將發(fā)生變化，即    以上

13、分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)降低時(shí)，壓氣機(jī)功和渦輪功在高低壓轉(zhuǎn)子之間重新分配的特點(diǎn)，它將使高低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速自動(dòng)的進(jìn)行調(diào)整。    譬如，壓氣機(jī)進(jìn)口溫度t2*不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則先設(shè)想高低壓轉(zhuǎn)子用機(jī)械方法聯(lián)接在一起，高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按相同的比例下降，由于壓氣機(jī)增壓比降低，低壓壓氣機(jī)的氣流攻角加大，而高壓壓氣機(jī)的氣流攻角減小，低壓和高壓壓氣機(jī)功之比也增加。低壓和高壓渦輪功之比則保持不變，當(dāng)尾噴管處于亞臨界狀態(tài)下工作時(shí)渦輪功之比還有所下降。這時(shí)候，如果“拆除”高低壓轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械聯(lián)系，低壓轉(zhuǎn)子則由于低壓壓氣機(jī)負(fù)荷較“重”而進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速，高壓轉(zhuǎn)子則由于高壓壓氣機(jī)負(fù)荷較“輕

14、”而稍微提高轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的重新調(diào)整，保證了低壓壓氣機(jī)功與高壓壓氣機(jī)功之比達(dá)到渦輪所維持的比值。    又譬如，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，壓氣機(jī)進(jìn)口溫度t2*增加使發(fā)動(dòng)機(jī)相似參數(shù)降低時(shí)，壓氣機(jī)增壓比降低，也將引起低壓與高壓壓氣機(jī)功之比增加。這時(shí)候若保持高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必將降低，若保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必將有所增加。    高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整，正是為改善壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作所需要的。這就使得雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)前后幾級(jí)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下耗量系數(shù)cz和流入角與設(shè)計(jì)值的偏離比單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)小得多，這從根本上決定了雙軸發(fā)動(dòng)

15、機(jī)比單軸發(fā)動(dòng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作時(shí)有明顯的優(yōu)越性。    雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)與單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：    雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)與具有相同增壓比的單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，可以使壓氣機(jī)在更廣闊的轉(zhuǎn)速相似參數(shù)范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，是防止壓氣機(jī)喘振的有效措施之一。    雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下具有較高的壓氣機(jī)效率和較低的渦輪前燃?xì)鉁囟?，因此雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工作時(shí)耗油率要比單軸發(fā)動(dòng)機(jī)低得多。    雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)與單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有較低的渦輪前燃?xì)鉁囟?，而且壓氣機(jī)不易產(chǎn)生喘振，因而在加速時(shí)可

16、以噴入更多的燃料，使雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的加速性。    雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)只需要帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)子，與同樣參數(shù)的單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以采用功率較小的起動(dòng)機(jī)。    目前有的雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)采用可調(diào)導(dǎo)流葉片或壓氣機(jī)放氣結(jié)構(gòu)，其壓氣機(jī)設(shè)計(jì)增壓比達(dá)到20以上。也有的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了三軸的結(jié)構(gòu)形式，其工作原理與雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)是相同的。思考題:為什么要采用雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)？第6.2節(jié) 高低壓壓氣機(jī)壓縮功的分配和轉(zhuǎn)速的選擇distribution of compression work between high pressure compressor and l

17、ow pressure compressor, and selection of rotor speed高低壓壓氣機(jī)之間壓縮功的分配如果相差十分懸殊，必然會(huì)失去使用雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性，而與單軸發(fā)動(dòng)機(jī)特性相接近。因此壓縮功在高低壓壓氣機(jī)之間的分配不應(yīng)相差太大。壓縮功的分配主要根據(jù)高壓渦輪和低壓渦輪的級(jí)數(shù)以及各級(jí)渦輪功的大小來確定。    例如，發(fā)動(dòng)機(jī)使用二級(jí)渦輪，高低壓壓氣機(jī)分別由一級(jí)渦輪帶動(dòng)，由于高壓渦輪在較高的燃?xì)鉁囟认鹿ぷ鳎邏簻u輪功應(yīng)該大于低壓渦輪功，因此高壓壓氣機(jī)的壓縮功就應(yīng)該大于低壓壓氣機(jī)的壓縮功。    又例如，發(fā)動(dòng)機(jī)有三

18、級(jí)渦輪，低壓壓氣機(jī)可以由一級(jí)或二級(jí)渦輪帶動(dòng)。如用二級(jí)渦輪帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)，那么低壓壓氣機(jī)的壓縮功將大于高壓壓氣機(jī)的壓縮功。    至于高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小，分別由其本身的限制條件來確定，如壓氣機(jī)進(jìn)口葉尖相對(duì)ma數(shù)的大小、葉片強(qiáng)度等。由于高壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度大于低壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度，而高壓渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葎t大于低壓渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟?，因此高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般都大于低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。思考題:高低壓壓氣機(jī)之間壓縮功怎樣分配？高低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速如何選擇？第6.3節(jié) 穩(wěn)態(tài)下各部件的相互制約components restricted each other on stable sta

19、te可以把雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子看成一臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)，低壓壓氣機(jī)出口的氣體參數(shù)就是這臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口參數(shù)，把低壓渦輪導(dǎo)向器最小截面作為這臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管臨界截面。因此對(duì)于高壓轉(zhuǎn)子各部件工作的相互制約以及在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的部件匹配等問題與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)完全相同，可以參考第五章中5.1和5.2節(jié)的內(nèi)容。    在這里著重討論低壓轉(zhuǎn)子的工作情況。    由于在低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪之間存在著高壓轉(zhuǎn)子，因此高壓轉(zhuǎn)子的工作情況直接影響低壓轉(zhuǎn)子的工作。一、低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置    同樣可以把雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的低

20、壓轉(zhuǎn)子看成一臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)。它與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)所不同的是：在低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪之間本應(yīng)存在燃燒室的地方卻被高壓轉(zhuǎn)子所代替，使得氣流從低壓壓氣機(jī)流出以后在進(jìn)入低壓渦輪之前總壓有了進(jìn)一步升高，其升壓比為(下角注25代表高壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面，下角注45代表高壓渦輪出口截面)。低壓轉(zhuǎn)子的低壓渦輪導(dǎo)向器截面積的設(shè)計(jì)是考慮到有這樣一個(gè)升壓比的數(shù)值。    當(dāng)雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)小油門時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同時(shí)降低，升壓比的數(shù)值也隨之下降。假設(shè)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子的升壓比能夠保持不變，那么低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相同。事實(shí)上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降

21、低時(shí)，升壓比的數(shù)值降低，由于低壓壓氣機(jī)出口的氣流在通過高壓轉(zhuǎn)子的時(shí)候不能得到足夠的壓縮，致使低壓渦輪導(dǎo)向器截面積顯得太小，低壓壓氣機(jī)出口氣流不能“通暢”的流過低壓渦輪導(dǎo)向器而顯得有所“阻塞”，因此，當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低時(shí)，低壓壓氣機(jī)在特性圖上共同工作線的位置由于受到升壓比降低的影響面趨近喘振邊界。圖6.3.1  雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置    圖6.3.1給出了雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置，為了進(jìn)行比較，同樣畫出了該壓氣機(jī)若用于一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的共同工作線位置，如圖中虛線所示。二、尾噴管臨界截面積的大小對(duì)雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作的

22、影響    由于雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系，因此燃油自動(dòng)調(diào)節(jié)器只能保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1或高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2二者之一為常數(shù)。    分析雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的飛行條件下工作時(shí)，若燃油自動(dòng)調(diào)節(jié)器保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1為常數(shù)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管臨界截面積a8對(duì)雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響。減小發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管臨界截面積a8，首先使得低壓渦輪膨脹比減小，為了不讓低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，燃油自動(dòng)調(diào)節(jié)器增加主燃燒室的供油量使高壓渦輪前燃?xì)鉁囟萾4*增加于是高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升了，低壓渦輪進(jìn)口的總壓p45*和總溫t45*亦隨之增加，這就保證了低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持原

23、來的數(shù)值不變。高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升以后，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量增加了。對(duì)于低壓壓氣機(jī)來說，轉(zhuǎn)速不變，而通過低壓壓氣機(jī)的空氣流量卻增加了，這就使得低壓壓氣機(jī)在特性圖上工作點(diǎn)的位置遠(yuǎn)離喘振邊界。反之，增加發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管臨界截面積a8，低壓壓氣機(jī)在特性圖上工作點(diǎn)的位置則移向喘振邊界。這個(gè)規(guī)律與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)恰恰相反。圖6.3.2給出了不同尾噴管臨界截面積時(shí)，低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置。圖6.3.2  不同尾噴管臨界截面積時(shí)，雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)特性圖上共同工作線的位置思考題:同一臺(tái)壓氣機(jī)，若作為雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)和作為單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，兩者的共同工作線位置有什么不同？為什么？其他條

24、件不變時(shí)，減小雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管出口截面積，保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，低壓壓氣機(jī)特性圖上的共同工作點(diǎn)位置如何變化？為什么？一臺(tái)雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在地面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下試車時(shí)保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，若減小雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管出口截面積，則高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將下降   低壓壓氣機(jī)增壓比將減小低壓壓氣機(jī)特性圖上的共同工作點(diǎn)將移向喘振邊界    高壓壓氣機(jī)特性圖上的共同工作點(diǎn)將移向喘振邊界   第6.4節(jié) 設(shè)計(jì)狀態(tài)下的部件匹配match of components on design point一、高壓轉(zhuǎn)子&#

25、160;   雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子可以看作一臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于高壓轉(zhuǎn)子來說，低壓渦輪導(dǎo)向器最小截面積起著一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管臨界截面積的作用，它的大小直接影響高壓渦輪的膨脹比。    在高壓轉(zhuǎn)子中各個(gè)部件的相互匹配問題與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相同，可參考第五章5.1節(jié)的內(nèi)容。二、低壓轉(zhuǎn)子    在這一節(jié)里，著重討論低壓轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子的相互匹配以及低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪的匹配問題?，F(xiàn)認(rèn)為高壓轉(zhuǎn)子各部件已經(jīng)作為一臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試完畢，其部件已經(jīng)能夠在設(shè)計(jì)狀態(tài)下匹配工作。    首先，討論低壓轉(zhuǎn)子與

26、高壓轉(zhuǎn)子的相互匹配。當(dāng)雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下工作時(shí)，可以通過燃油流量qmf和尾噴管臨界截面積a9使高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都達(dá)到設(shè)計(jì)值。這時(shí)候低壓轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子的相互匹配主要表現(xiàn)為通過低壓壓氣機(jī)的空氣流量和通過高壓轉(zhuǎn)子的空氣流量應(yīng)相互匹配，使得低壓壓氣機(jī)在特性圖上的工作點(diǎn)處于設(shè)計(jì)位置，低壓壓氣機(jī)的增壓比達(dá)到設(shè)計(jì)值。對(duì)于新設(shè)計(jì)試制的雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)，在調(diào)試中若產(chǎn)生低壓壓氣機(jī)的空氣流量和高壓轉(zhuǎn)子的空氣流量不相匹配的情況，可以在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)改變低壓轉(zhuǎn)子或高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。如果不相匹配的情況比較嚴(yán)重，無法用改變轉(zhuǎn)速的方法加以修正，則需要修改低壓壓氣機(jī)或高壓轉(zhuǎn)子的部件設(shè)計(jì)。其次，討論低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪的匹

27、配。低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪的相互匹配主要表現(xiàn)為低壓渦輪產(chǎn)生的功率應(yīng)與低壓壓氣機(jī)消耗的功率相當(dāng)。在一般的情況下，改變雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管臨界截面積的大小，可以改變低壓渦輪膨脹比和低壓渦輪產(chǎn)生的功率。但是當(dāng)?shù)蛪簻u輪的功率與低壓壓氣機(jī)消耗的功率相差太遠(yuǎn)時(shí)，仍用改變尾噴管臨界截面積的方法進(jìn)行調(diào)整，會(huì)降低渦輪的效率，在這種情況下，必須修改低壓渦輪的設(shè)計(jì)，使低壓渦輪功率與低壓壓氣機(jī)功率相匹配。第6.5節(jié) 雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律control rule of twin spool gas turbine engine和單軸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律也可分為尾噴管面積可調(diào)和不可調(diào)二種情況。尾噴管出口面積可

28、調(diào)的調(diào)節(jié)規(guī)律能較好地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力，但調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。尾噴管出口面積不可調(diào)時(shí)，只有供油量一個(gè)調(diào)節(jié)中介，所以只能保證一個(gè)被調(diào)參數(shù)隨飛行條件按一定規(guī)律變化。    現(xiàn)只討論尾噴管出口面積不可調(diào)(a9=常數(shù))時(shí)的調(diào)節(jié)規(guī)律。常用的有：    保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的調(diào)節(jié)規(guī)律n1=常數(shù)，a9=常數(shù)    保持高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的調(diào)節(jié)規(guī)律n2=常數(shù)，a9=常數(shù)    保持渦輪前溫度不變的調(diào)節(jié)規(guī)律t4*=常數(shù)，a9=常數(shù)    保持發(fā)動(dòng)機(jī)壓比epr不變的調(diào)節(jié)規(guī)

29、律                               p5*/p2*=常數(shù)，a9=常數(shù)    對(duì)于尾噴管出口面積不可調(diào)的雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持某一個(gè)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著飛行狀態(tài)的變化，就靠另一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的改變來使壓氣機(jī)的功重新分配，以適應(yīng)渦

30、輪功的比值。    尾噴管出口面積不可調(diào)的這三種調(diào)節(jié)規(guī)律的比較見圖6.5.1(a)、(b)、(c)、(d)。在以下的討論分析中，均假設(shè)尾噴管為臨界或超臨界工作狀態(tài)。圖6.5.1  尾噴管出口面積不可調(diào)時(shí)這三種調(diào)節(jié)規(guī)律的比較 圖中的t2*反映了飛行高度和飛行ma數(shù)的變化。    下面以第一種調(diào)節(jié)規(guī)律n1=常數(shù)為例來解釋曲線變化的原因。當(dāng)t2*增加，保持n1不變，減小，低壓轉(zhuǎn)子的共同工作點(diǎn)沿共同工作線向下移動(dòng)，q(2)減小，低壓壓氣機(jī)“加重”了。要保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，在渦輪膨脹比*t1不變時(shí)，t4*必須加大，這就使高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

31、速加大，轉(zhuǎn)速比nh/nl加大，但因t2*增加，所以總的增壓比*c仍是下降的?？梢钥闯?，采用的調(diào)節(jié)規(guī)律，由于它保持了相似工作狀態(tài)，當(dāng)t2*增大時(shí)，t4*成比例的增加，當(dāng)t4*超過限制值時(shí)，可以保持較低的值，避免t4*超過規(guī)定。    比較這四種調(diào)節(jié)規(guī)律，其優(yōu)缺點(diǎn)分別是：    調(diào)節(jié)規(guī)律，保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，而高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和渦輪前燃?xì)鉁囟鹊淖兓疾惶?。在飛行ma數(shù)加大時(shí)，t2*增加，t4*會(huì)提高，如果渦輪葉片強(qiáng)度允許的話，可以得到較大的推力。    調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著飛行高度的增加，t2*下降，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

32、保持不變，低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將增大，這就緩和了高度增加時(shí)推力的降低。    調(diào)節(jié)規(guī)律，t4*=常數(shù)、a9=常數(shù)，是介于上面兩種調(diào)節(jié)規(guī)律之間的調(diào)節(jié)規(guī)律。隨著飛行ma數(shù)的增加，在t4*=常數(shù)時(shí)，兩個(gè)渦輪的功是不變的。在t2*增大時(shí)，低壓壓氣機(jī)需要的功加大，低壓渦輪功就顯得不夠了，因此低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速下降。高壓壓氣機(jī)需要的功減小，高壓渦輪功顯得太大，所以高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比nh/nl增加。這種調(diào)節(jié)規(guī)律的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)始終允許在最大熱負(fù)荷條件下工作，推力也較大。    在實(shí)際使用中，有時(shí)用幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合，如在某一飛行范圍里用n1=

33、常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律，而在其它飛行范圍里用n2=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)節(jié)規(guī)律，p5*/p2*=常數(shù)，a9=常數(shù)，當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度變化時(shí)，轉(zhuǎn)速比nh/nl不變，壓氣機(jī)增壓比不變，q()不變。其他各參數(shù)的相似參數(shù)值保持不變。 當(dāng)t2*變化時(shí)，t4*成比例的隨之變化，因此當(dāng)t2*較低時(shí)，t4*也較低，為了能充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的推力潛力，應(yīng)使p5*/p2*值隨t2*的變化保持在不同的數(shù)值上，使t4*既不致過低也不致超過限制值。第6.6節(jié) 雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的特性performance of twin spool gas turbine engine一、轉(zhuǎn)速特性    在任意工作狀態(tài)下，雙軸渦輪

34、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速互不相同，但兩者之間有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖6.6.1表示了某一臺(tái)雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相互關(guān)系。例如，圖中低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)值為0.8時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)值為0.9。圖6.6.1  某雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相互關(guān)系    由于兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間有這樣一個(gè)單值的關(guān)系，所以通過研究雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和耗油率隨任一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，就可以得到雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性。    圖6.6.2是某雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車得到的轉(zhuǎn)速特性。圖6.6.2  某雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性 

35、;   從圖中可以看出雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性的變化規(guī)律與一般單軸發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。圖上還畫出了渦輪前燃?xì)鉁囟入S低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出，在中低轉(zhuǎn)速下雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低的渦輪前燃?xì)鉁囟?，這主要是在中低轉(zhuǎn)速下雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)效率比單軸發(fā)動(dòng)機(jī)高的緣故，如圖6.6.3所示。圖6.6.3  單軸發(fā)動(dòng)機(jī)與雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)*c和sfc的比較    由于雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在中等轉(zhuǎn)速以下渦輪前燃?xì)鉁囟容^低，而且壓氣機(jī)效率較高，所以，它與設(shè)計(jì)參數(shù)相同的單軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它的耗油率sfc在較寬廣的工作范圍內(nèi)比單軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)低。這是雙軸渦輪噴氣

36、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性的重要特點(diǎn)。二、速度特性    雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性也和發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律有關(guān)。圖6.6.4給出了飛行高度為6km時(shí)三種不同調(diào)節(jié)規(guī)律下的速度特性。(該發(fā)動(dòng)機(jī)以地面靜止?fàn)顟B(tài)為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)狀態(tài)c,d*=12，t*4max,d=1400k)(a)(b)圖6.6.4  不同調(diào)節(jié)規(guī)律下雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性     在n1=常數(shù)，a8=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律下，當(dāng)飛行ma數(shù)增大時(shí)，速度沖壓增加，壓氣機(jī)進(jìn)口的氣流總溫t*2增加。在討論調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)曾經(jīng)提到，這時(shí)nh和t*4都將增大，愈低，t*4愈高。因此，采用這種調(diào)節(jié)規(guī)律

37、時(shí)，t*4的最大值是在最大飛行ma數(shù)時(shí)達(dá)到。當(dāng)飛行ma數(shù)小于最大飛行ma數(shù)時(shí)，t*4將低于t*4max。從圖6.6.4(a)可見，這種調(diào)節(jié)規(guī)律的單位推力在低飛行ma數(shù)范圍內(nèi)將低于其它兩種調(diào)節(jié)規(guī)律。在同樣的飛行條件下，這種調(diào)節(jié)規(guī)律的q(2)較高(圖6.5.1(d)，因此，空氣流量最大(圖6.5.1(b)。綜合單位推力和空氣流量的變化規(guī)律，采用nl=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律在高飛行ma數(shù)下推力較大，而在低飛行ma數(shù)下的推力較低。顯然，對(duì)于要求在高飛行ma數(shù)下推力性能好的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用這種調(diào)節(jié)規(guī)律比較合適。    在nh=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律下，隨著飛行ma數(shù)的增大，nl和t*4都將減小

38、。因此，若地面設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)t*4為最大值t*4max，則在飛行中，當(dāng)小于設(shè)計(jì)值時(shí)，t*4將低于t*4max；而當(dāng)大于設(shè)計(jì)值時(shí)，t*4將超過設(shè)計(jì)所允許的t*4max，實(shí)際上這是不允許的，如圖6.6.4(a)中虛線所示。這種調(diào)節(jié)規(guī)律的單位推力低于t*4=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律，在高飛行ma數(shù)時(shí)，還可能低于n1=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律。和其它兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相比，它的q(2)值最小、qma最小。綜合單位推力和空氣流量的變化，它的推力在低飛行ma數(shù)時(shí)較高，而在高飛行ma數(shù)時(shí)較低。    t*4=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律的單位推力將高于上述兩種調(diào)節(jié)規(guī)律，空氣流量和推力的變化介于上述兩種調(diào)節(jié)規(guī)律之間。

39、60;   至于耗油率的變化規(guī)律，nh=常數(shù)和t*4=常數(shù)這兩種調(diào)節(jié)規(guī)律基本上相同。這是因?yàn)樵诟叩娘w行ma數(shù)下，nh=常數(shù)的t*4較高，而t*4=常數(shù)的增壓比較高，兩者對(duì)耗油率的影響大體相同。在低飛行ma數(shù)下這兩種調(diào)節(jié)規(guī)律的參數(shù)很接近。n1=常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律在大部分飛行ma數(shù)下的t*4較低，增壓比較高，所以耗油率也比較低。三、高度特性    用n1=常數(shù)和nh=常數(shù)兩種調(diào)節(jié)規(guī)律來說明雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高度特性。    圖6.6.5(a)是n1=常數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律下的高度特性。圖6.6.5  雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的

40、高度特性    由圖可以看出，當(dāng)飛行高度小于11km時(shí)，隨著飛行高度增加，t0減小，增大，這種調(diào)節(jié)規(guī)律下的nh和t*4都要減小。更主要的是大氣密度減小，所以，推力隨飛行高度升高而減小。    圖6.6.5(b)是nh=常數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律下的高度特性。圖中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是以11km為設(shè)計(jì)高度，這時(shí)的t*4和n1為最大值。飛行高度低于11km時(shí)，t*4和n1將小于最大值。當(dāng)飛行高度高于11km時(shí)，t*4和n1將保持不變。隨著飛行高度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)推力主要是因大氣密度的減小而降低。思考題:若保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)飛行速度增加時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和渦輪

41、前燃?xì)鉁囟热绾巫兓?？?dāng)飛行高度增加時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和渦輪前燃?xì)鉁囟热绾巫兓?？雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性與單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性相比較有什么特點(diǎn)？一臺(tái)雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)保持nl=常數(shù)、a9=常數(shù)，在高空(h11公里)以等飛行ma數(shù)爬高時(shí)    nh增大    nh不變    t4*降低    t4*不變   第6.7節(jié) 雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架調(diào)試adjustment of twin spool gas turbine engine on test bed成批生產(chǎn)

42、的雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)在地面臺(tái)架試車時(shí)需要檢查和調(diào)整高壓渦輪導(dǎo)向器面積at，h、低壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器面積at，l以及尾噴管臨界截面積a8。    把高壓轉(zhuǎn)子看成一臺(tái)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)，低壓壓氣機(jī)出口的氣體參數(shù)就是單軸發(fā)動(dòng)機(jī)(高壓轉(zhuǎn)子)進(jìn)口的氣體參數(shù)，低壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器最小截面對(duì)于高壓轉(zhuǎn)子來說相當(dāng)于單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管最小截面積。在臺(tái)架調(diào)試過程中首先要把高壓轉(zhuǎn)子調(diào)整好，即把高壓渦輪導(dǎo)向器面積at，h和低壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器面積at，l調(diào)整好，然后進(jìn)一步調(diào)整雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管 臨界截面積a8。    根據(jù)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，可以知道，當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相似參數(shù)保持一定時(shí)，調(diào)整高壓渦輪導(dǎo)向器面積at，h和低壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器面積at，l可以改變壓氣機(jī)的增壓比c*,h和渦輪前燃?xì)鉁囟认嗨茀?shù)。