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文檔簡介

第三章

渦輪噴氣發(fā)動機的工作原理

發(fā)動機設(shè)計是一個復(fù)雜的過程,需考慮應(yīng)用對象、重量、成本、體積、壽命及噪音等諸多限制因素,需進行發(fā)動機設(shè)計點下的一些參數(shù)優(yōu)化選擇,繼而進行發(fā)動機總體性能計算。發(fā)動機設(shè)計點的性能將取決于設(shè)計狀態(tài)下各部件的熱力過程。 本章將介紹發(fā)動機主要工作過程參數(shù)對發(fā)動機單位性能參數(shù)的影響及設(shè)計點發(fā)動機性能計算方法。發(fā)動機性能計算渦輪噴氣發(fā)動機的主要單位性能參數(shù)

發(fā)動機最重要的兩個單位性能參數(shù):單位推力定義:Fs=F/qm

;單位燃油定義:耗油率sfc=3600qmf/F。 發(fā)動機推力F通常由用戶給定,提高Fs可降低流量qm,這意味著將減少發(fā)動機的重量和最大迎風(fēng)面積,因此該參數(shù)對發(fā)動機總體性能影響十分重要。 如假定尾噴管完全膨脹(p9=p0),且忽略燃?xì)馀c空氣流量的差別,即qm=qmg

, 則有單位推力:Fs=V9-V0

發(fā)動機主要工作過程參數(shù)概念

在發(fā)動機工作過程中,用來描述氣流沿程流動狀態(tài)變化的參數(shù),如P0、P1、pc、T0、T1、

T3*

…..等參數(shù)稱為發(fā)動機的工作過程參數(shù)。 其中壓氣機壓比pc和渦輪前溫度T3*是發(fā)動機的主要工作參數(shù),也是設(shè)計時需要選擇的重要參數(shù)。工作參數(shù)對單位性能的影響 首先研究一下循環(huán)功。若把壓氣機和進氣道作為一個總的壓縮過程,則每千克氣體輸入功為: 其中:hc為壓縮過程的總效率,p=P2*/P0為總增壓比。 若把渦輪和尾噴管作為一個總的膨脹過程(不計燃燒引起的總壓損失),則每千克氣體輸出功:

其中hp為膨脹過程的總效率。循環(huán)功與工作過程參數(shù)之間的關(guān)系

發(fā)動機循環(huán)功代表發(fā)動機可以使用的能量(可用能量),可以表示為: 若?。簞t循環(huán)功:(1)

循環(huán)功影響參數(shù)分析 影響發(fā)動機循環(huán)功W的主要參數(shù)是壓比p、溫比D,a=1.02-1.04。 從方程中可以發(fā)現(xiàn),循環(huán)功同加熱比D成正比變化關(guān)系。在環(huán)境溫度T0一定的條件下,渦輪前溫度T3*越高,循環(huán)功越大。但在溫比D一定時,循環(huán)功隨壓比p并非單調(diào)變化,存在最佳壓比p

opt使循環(huán)功最大。單位推力影響參數(shù)分析 單位推力:Fs=V9-V0 循環(huán)功: W循環(huán)功=(V92-V02)/2,可得: 將循環(huán)功W的公式代入上式可得:

(2) 由方程(2)可得,在飛行條件一定(高度H,飛行速度V0)的情況下,影響單位推力Fs的主要工作參數(shù)有:壓比p和溫比D。耗油率影響參數(shù)分析 由耗油率的定義可得:sfc=3600*qmf/F=3500*q0/(xbHuFs)。 q0為燃燒室每千克流體獲得的熱量,xb為燃燒室的完全燃燒系數(shù)。 由于壓縮功: Wc=Cp(T2*-T0)=CpT0(e-1)/hc,可得: T2*=T0((e-1)/hc+1) 代入q0=Cp(T3*-T2*)的表達式中,可得:q0=CpT0(D-(e-1)/hc-1) 則耗油率: (3)

由方程可得,影響耗油率sfc的主要工作參數(shù)是壓比p和溫比D。

總壓比對單位性能的影響

由上面分析可見,影響發(fā)動機單位性能參數(shù)Fs和sfc的主要工作過程參數(shù)是壓比p和溫比D=T3*/T0

,下面分析一下它們對單位性能參數(shù)的影響特點。

1)在加熱比D=T3*/T0一定,改變壓比p存在一最佳壓比popt使單位推力Fsmax和循環(huán)功Wmax同時最大。注意到:在溫比D一定時,燃燒室加給每千克氣體的熱量q0隨著壓比p的增加總是單調(diào)減小。增壓比對單位性能的影響最佳壓比和最經(jīng)濟壓比

分析過程:令

可得: 或發(fā)動機理想循環(huán)中a=1,hc=1,hp=1,而實際循環(huán)中(ahchp)總是小于1.0的,因此實際循環(huán)的最佳壓比總是小于理想循環(huán)下的最佳壓比。壓縮和膨脹過程中的損失愈小,乘積hchp愈大,實際最佳增壓比愈接近理想循環(huán)的最佳增壓比,最佳單位推力也越大。同理,存在最佳經(jīng)濟壓比:pec>popt,使耗油率sfc達到最小。渦輪前溫度對單位性能的影響 在給定壓比p條件下,改變渦輪前溫度,即溫比D=T3*/T0。由前面推導(dǎo)的方程(1)、(2)及(3)得:加熱比的增加總是使得循環(huán)功和單位推力上升,耗油率相對復(fù)雜些,但存在某個使循環(huán)功等于零即單位推力等于零、耗油率趨于無窮大的最小溫比Dmin=e/ahchp,對應(yīng)有最小T3*min=T2*/(ahchp),加進的熱量僅用于平衡渦輪帶動壓氣機中的氣動損耗,維持壓氣機-渦輪自轉(zhuǎn),發(fā)動機無可用能量。最經(jīng)濟渦輪前溫度當(dāng)T3*=T3*min

時,沒有循環(huán)功,發(fā)動機不產(chǎn)生任何推力;當(dāng)T3*>T3*min時,循環(huán)功W對T3*是線性增長的,單位推力Fs按指數(shù)增長,而耗油率sfc存在一最經(jīng)濟T3*ec使sfc達到最小。壓比和渦輪前燃?xì)鉁囟葘Πl(fā)動機單位性能參數(shù)的影響總結(jié)在溫比D=T3*/T0一定的情況下,最佳壓比popt為一定值。提高T3*

,單位推力Fs上升,隨著T3*的提高,最佳壓比popt也隨之增高。發(fā)動機設(shè)計參數(shù)選擇依據(jù)單位推力隨渦輪前溫度上升而增加,提高渦輪前溫度可以使發(fā)動機做得更小、更輕,這對機動飛行是有好處的,但耗油率在上升;存在最佳壓比使單位推力最大且隨渦輪前溫度提高而增加;存在最經(jīng)濟壓比使sfc最小,但壓比很高難以實現(xiàn)。

參數(shù)選擇應(yīng)考慮應(yīng)用對象、材料、工藝及成本,無優(yōu)化結(jié)果。渦輪噴氣發(fā)動機的氣動熱力計算1、熱力計算的目的和原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備 目的: 根據(jù)推力要求,通過熱力計算確定發(fā)動機所需流量及主要部件性能參數(shù),作為部件設(shè)計的原始數(shù)據(jù)。 考慮地面臺架試車檢驗方便,發(fā)動機設(shè)計點的選擇一般定在海平面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。 指飛機對發(fā)動機的技術(shù)要求,包括飛行速度、高度、推力及單位燃油消耗量以及發(fā)動機的大小尺寸和重量。此外,熱力計算前還需要根據(jù)經(jīng)驗試驗數(shù)據(jù)確定下列數(shù)據(jù):壓氣機增壓比pk*和渦輪前溫度T3*;壓氣機效率hk*、渦輪效率ht*、燃燒效率hb以及機械傳動效率hm;進排氣、燃燒室的氣動總壓損失si

、se及sb

;冷卻空氣流量gcol=qmcol/qm,氣體回到發(fā)動機流量 gr=qmr/qm;燃油的低熱值Hu。設(shè)計點簡單循環(huán)氣動熱力計算原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

已知:飛行高度、速度,選擇pk*、T3*及假定各主要部件的氣動損失參數(shù)。

求:發(fā)動機各特征截面氣流參數(shù)及單位推力Fs和燃油消耗率sfc。(1)、進氣道出口參數(shù): 由飛行狀態(tài)可知T0,P0及M0,計算得:在忽略進氣道與外界熱交換的情況下,則有T1*=T0*

熱力計算方法(2)、壓氣機出口參數(shù) 由給定的壓比pk*效率hk*和壓氣機單位功計算公式:則壓氣機出口氣流總溫、總壓:可得溫升:(4)、油氣比定義:f=qmf/qm

油氣比計算方法: 其中: h2*,h3*為燃燒室進出口燃?xì)饪傡剩?/p>

xb:為燃燒完全系數(shù),Hu為低熱值, H3*:溫度為T3*時的等溫燃燒焓差。(3)、燃燒室出口氣流參數(shù)選定T3*:由渦輪葉片材料性能及冷卻方式確定。出口總壓計算可得:P3*=P2*sb,燃燒室氣動損失系數(shù)sb由試驗確定。(5)、渦輪出口氣流參數(shù)通過渦輪的燃?xì)饬髁浚河蓧簹鈾C和渦輪的功率平衡:渦輪溫降:渦輪出口總壓P4*可根據(jù)渦輪膨脹比pt*求得。由每公斤燃?xì)鈱u輪所做的功得:渦輪后的總壓:(6)、尾噴管出口氣流參數(shù)尾噴管出口總壓P9*=P4*se。若不考慮噴管氣流與外界的熱交換,則T9*=T4*。出口速度和壓力需用P9*/P0判斷氣流在尾噴管的工作狀態(tài)后采用相應(yīng)的公式計算。亞臨界出口速度:

臨界或超臨界狀態(tài):

出口氣流溫度:臨界或亞臨界出口氣流壓力:

超臨界出口氣流壓力:

3-4、渦輪噴氣發(fā)動機的氣動熱力計算(7)、發(fā)動機的單位推力計算公式:若燃?xì)庠趪姽苤型耆蛎?,則:若完全膨脹且發(fā)動機在地面工作時:

考慮到從壓氣機引氣進行冷卻,燃燒室中噴油增加流量,以及冷卻氣流回到發(fā)動機流路中來的部分,尾噴管出口燃?xì)饬髁坑嬎愎饺缦拢簞t單位推力:

(8)、發(fā)動機的耗油率:sfc=3600qmf/F 由前面油氣比計算結(jié)果f=qmf/(qm(1-gcol)),可得: qmf=f*qm(1-gcol)或:sfc=3600*f*(1-gcol)/Fs(9)、在給定推力F的條件下,計算流過發(fā)動機的空氣流量:qm=F/Fs(10)、根據(jù)油氣比f,計算供油量:qmf=f*qm。(11)、根據(jù)流量:qm,計算尾噴管臨界面積:A8。課堂作業(yè)試在給定巡航速度M0.8,高度10000m設(shè)計點以及下列部件性能參數(shù)條件下,確定某簡單渦噴發(fā)動機單位推力。 壓氣機壓比pc:

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