第5次課-航空燃氣輪機基礎知識專題培訓課件

一、渦噴發(fā)動機產(chǎn)生推力的原理1、推力的定義：流過發(fā)動機內(nèi)部和外部的氣體與發(fā)動機殼體，內(nèi)、外壁面及部件之間的作用力的合力，在發(fā)動機軸線方向的分力稱為推力（F）。地面靠推地2、推力產(chǎn)生的原理水里靠推水2、推力產(chǎn)生的原理水中推進用的螺旋槳水里靠推水2、推力產(chǎn)生的原理空中推空氣（1）螺旋槳推進（2）噴氣推進（又稱吸氣推進）（兩種方式）2、推力產(chǎn)生的原理太空什么都沒有，靠噴推進劑，2、推力產(chǎn)生的原理還要利用萬有引力2、推力產(chǎn)生的原理

圖中所示連續(xù)不斷進行進氣和排氣過程的位置被稱為飛機的短艙，短艙里有一個裝置可以使排氣速度大于進氣速度。

每秒鐘吸進和排出的氣體達數(shù)百斤以上，比一個成年人體重還要多！遄達900每秒鐘吸入1.25噸以上的空氣?！?/p>

燃氣渦輪發(fā)動機推力的產(chǎn)生

飛機通過連續(xù)不斷的吸氣和排氣，并使排氣的速度大于吸氣的速度這一過程來獲得向前飛行的動力。但是飛機是依靠什么實現(xiàn)并維持這一過程的呢？※

燃氣渦輪發(fā)動機推力的產(chǎn)生這就是------航空發(fā)動機※

燃氣渦輪發(fā)動機推力的產(chǎn)生最簡單的渦噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖※

燃氣渦輪發(fā)動機推力的產(chǎn)生2、推力的產(chǎn)生原理氣體以速度C0進入發(fā)動機，以C9的速度離開發(fā)動機，且C9的速度大于C0，說明氣體在發(fā)動機內(nèi)是一個加速過程。牛頓第二定律指出，有加速度就一定有作用力存在，而作用力的大小與加速度成正比，方向相同，這個力可以用動量方程進行計算。牛頓三定律指出，有作用力，就一定有反作用力，反作用力與作用力大小相等，方向相反，分別作用在兩個物體上。這個反作用力是氣體作用在發(fā)動機上的，就是發(fā)動機的推力。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0推力是如何產(chǎn)生的？以航空渦輪噴氣發(fā)動機為例：

當發(fā)動機工作時，大量空氣被吸入進氣道，經(jīng)過發(fā)動機各機件工作，使吸入的空氣增壓，再經(jīng)燃油燃燒使氣體更加膨脹，進一步增大氣體的壓力，這樣強大的壓力都是在發(fā)動機內(nèi)腔產(chǎn)生的，即是發(fā)動機的內(nèi)壓力。當高壓氣體從尾噴管噴出時，即產(chǎn)生一個與高壓氣體壓力相等方向相反的反作用力，這一反作用力就是發(fā)動機帶著飛機向前飛行的推力。也就是說噴氣式發(fā)動機是在整個工作過程中產(chǎn)生的推力。因此，那種認為由于發(fā)動機噴出的氣流作用在外界空氣上產(chǎn)生反作用力推動飛機向前飛行的觀念是一種誤解。由于發(fā)動機是連續(xù)地吸氣、增壓和噴氣的，所以，在發(fā)動機工作時，保持有連續(xù)推力的產(chǎn)生。2023/8/30航空發(fā)動機原理15

發(fā)動機組成§4.2航空燃氣輪機工作原理2023/8/30154.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理164.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理174.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理184.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理194.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理204.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理214.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理224.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理234.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理244.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理254.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理264.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理274.2.1發(fā)動機組成及簡圖2023/8/30航空發(fā)動機原理284.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)

渦輪噴氣發(fā)動機之所以能連續(xù)地把熱能轉(zhuǎn)換為機械能進而產(chǎn)生推力，是由于熱力循環(huán)不斷進行的結(jié)果。所以，熱力循環(huán)是渦輪噴氣發(fā)動機的基礎。熱力循環(huán)：是為了把燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功所需要的、以空氣為介質(zhì)進行能量轉(zhuǎn)換的一系列工作過程?！?.2航空燃氣輪機工作原理2023/8/30航空發(fā)動機原理294.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)

燃氣發(fā)生器：是各類燃氣輪機的熱機部分，包括壓氣機、燃燒室和帶動壓氣機的那部分渦輪。原理：利用工質(zhì)重復地進行某些工作過程，同時不斷吸熱做功。

理想循環(huán)

工質(zhì)為空氣，為理想氣體，其比熱為常數(shù)，不隨氣體溫度和壓力而變化。整個工作過程沒有流動損失，壓縮過程與膨脹過程為絕熱等熵，燃燒前后壓力不變，沒有熱損失（排熱過程除外）和機械損失?！?.2航空燃氣輪機工作原理2023/8/30航空發(fā)動機原理304.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)

渦輪噴氣發(fā)動機的工作，可劃分為4個熱力過程：絕熱壓縮過程，定壓加熱過程，絕熱膨脹過程，定壓放熱過程。這4個過程組成了渦輪噴氣發(fā)動機的理想循環(huán)，稱為布萊頓循環(huán)，如下圖。由于這個循環(huán)的加熱和放熱過程都是在定壓條件下進行的，因此，也叫“定壓加熱循環(huán)”。§4.2航空燃氣輪機工作原理pV（比容）02134p-V2023/8/30航空發(fā)動機原理314.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)1.理想循環(huán)CTB2134圖2.15燃氣輪機循環(huán)布置圖pV0021342134p-VTST-S1-2絕熱壓縮2-3等壓加熱3-4絕熱膨脹4-1等壓放熱2023/8/30航空發(fā)動機原理324.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)1.理想循環(huán)（1）衡量燃氣發(fā)生器性能的指標熱效率：加入每千克空氣的熱量中所能產(chǎn)生的可用功與所加熱量之比。比功

：單位質(zhì)量空氣所作的功。（2）表示理想燃氣輪機循環(huán)工作狀態(tài)的參數(shù)增壓比：壓氣機出口靜壓與周圍大氣壓力之比。加熱比：燃燒室出口溫度與外界大氣溫度之比。

（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析

能量方程式2023/8/30航空發(fā)動機原理334.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析

絕熱壓縮過程1~2pV02134p-V整個過程吸熱為0；兩個階段：

1~1’

迎面高速氣流在進氣道中的絕能流動，使工質(zhì)減速增加；

1’~1壓氣機對工質(zhì)做功。總機械功：該過程在進氣道和壓氣機內(nèi)進行。2023/8/30航空發(fā)動機原理344.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析pV02134p-V

等壓加熱過程2~3

該過程在燃燒室內(nèi)完成；在定壓條件下有外界對他加熱，空氣溫度升高，比容增大。工質(zhì)所做的機械功為0：

工質(zhì)吸熱量：為循環(huán)的加熱比2023/8/30航空發(fā)動機原理354.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析pV02134p-V

絕熱膨脹過程3~4整個過程吸熱為0；兩個階段：

3~3’

在渦輪中完成，渦輪從工質(zhì)中獲得的機械功為：

3’~4在尾噴管或動力渦輪中完成，單位工質(zhì)所做的功為?？倷C械功：

該過程燃燒在渦輪和噴管內(nèi)進行絕熱膨脹，比容增大，壓力和溫度均下降。2023/8/30航空發(fā)動機原理364.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析pV02134p-V

等壓放熱過程4~1整個過程中，氣體在壓力不變的情況下向大氣放熱；溫度降低，比容變小。

機械功為0：總放熱量為：2023/8/30航空發(fā)動機原理374.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析

比功

熱效率

或吸熱量放熱量2023/8/30航空發(fā)動機原理384.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)（3）理想燃氣輪機循環(huán)分析分析：增壓比，加熱比和吸熱量，比功，熱效率之間的關系

理想燃氣輪機的熱效率只與增壓比有關，隨增大而單調(diào)增加；

在加熱比一定得條件下，有一個使比功達最大值的增壓比，稱為最佳增壓比，記為，最佳增壓比隨加熱比增大而增大；

在增壓比相同的條件下，比功隨加熱比增大而增大。2023/8/30航空發(fā)動機原理394.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱

在壓縮和膨脹兩個絕熱過程中，由于存在流動損失，過程中熵增加，因此將絕熱過程改成多變過程，n代替k。

把燃燒室的壓力損失歸入總的膨脹過程，而燃燒過程仍可看做等壓加熱過程。2023/8/30航空發(fā)動機原理404.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱表明壓縮過程流動損失：絕熱壓縮效率2023/8/30航空發(fā)動機原理414.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱表明膨脹過程流動損失：絕熱膨脹效率2023/8/30航空發(fā)動機原理424.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱總壓縮過程中，外界對單位工質(zhì)做功：總膨脹過程中，單位工質(zhì)對外界做功：2023/8/30航空發(fā)動機原理434.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱實際循環(huán)的比功實際循環(huán)的熱效率：2023/8/30航空發(fā)動機原理444.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)分析：增壓比，加熱比和吸熱量，比功，熱效率之間的關系實際循環(huán)的熱效率不只與增壓比有關，而且與循環(huán)增壓比有關。實際循環(huán)的效率隨增壓比增加，不再是單調(diào)增大，而且有一個極限值，使熱效率達極大值的增壓比為最經(jīng)濟增壓比，記為在加熱比一定得條件下，有一個使比功達最大值的增壓比，稱為最佳增壓比，記為，

在實際循環(huán)中，隨著循環(huán)加熱比越大，損失所占熱量的比例相對減小，因此，加熱比越大，越大，，越高。2.實際循環(huán)2023/8/30航空發(fā)動機原理454.2.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)設計應用：1、由于加熱比越大，循環(huán)的比功和熱效率越高，所以設計燃氣輪機時，應在材料耐熱許可的情況下，盡量提高加熱比。2、在加熱比選定的情況下，

增壓比=最佳增壓比時，比功最大；

增壓比=最經(jīng)濟增壓比時，熱效率最高；

因此，為了降低燃氣輪機的耗油率同時又能輸出較大的功率，設計增壓比一般大于最佳增壓比低于最經(jīng)濟增壓比。2.實際循環(huán)2023/8/30航空發(fā)動機原理46§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

發(fā)動機的推力：發(fā)動機內(nèi)外氣體在各個表面上作用力的合力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理47§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

進氣道：當飛機飛行時，由于速度沖壓，空氣進入進氣道，壓力升高，作用在內(nèi)壁上的氣體壓力的合力與作用在外壁上的大氣壓力的合力之差，造成一個向前的軸向力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理48§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

壓氣機：由于工作葉片和整流葉片都組成擴張型通道，氣體減速增壓，因此，在壓氣機上作用著很大的向前的軸向力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理49§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

燃燒室：由于燃燒室頭部常為擴張型，氣流減速，壓力提高，因此，在頭部造成一個向前的軸向力。在燃燒室后段，略微收斂，流速增大，壓力減小，造成一個向后的軸向力。但由于燃燒室進口面積小于出口面積，所以向前的軸向力大于向后的軸向力，兩者之差，就是作用在燃燒室上的軸向力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理50§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

渦輪：由于導向葉片通道和渦輪葉片通道都是收斂型，燃氣流經(jīng)渦輪時，膨脹加速，壓力降低，所以導向葉片和渦輪葉片都承受一個向后的軸向力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理51§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述

噴管：由于噴管收斂，壓力降低，但仍大于大氣壓力，故作用在噴管內(nèi)壁上的燃氣壓力的合力與作用在外壁上的大氣壓力的合力之差，是一個向后的軸向力。它抵消了一部分向前的軸向力，但有了它才能使發(fā)動機的工作過程得以正常進行。否則壓差建立不起來，發(fā)動機不能正常工作，也就不能產(chǎn)生推力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/8/30航空發(fā)動機原理52§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.1概述解決：將發(fā)動機看成一個整體，通過計算發(fā)動機進口出口氣流動量的變化來確定發(fā)動機推力！計算各部件的軸向力合力法來計算發(fā)動機的推力

困難發(fā)動機各部件形狀復雜，無法確切知道部件表面各處的氣體壓力和粘力！進氣排氣A0A0A1A1A9A92023/8/30航空發(fā)動機原理53§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.2發(fā)動機推力公式的推導計算假設：流量系數(shù)；

發(fā)動機表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力；氣體流經(jīng)發(fā)動機外表面時，沒有摩擦阻力。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.2發(fā)動機推力公式的推導001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0發(fā)動機推力：流過發(fā)動機內(nèi)部和外部的氣體與發(fā)動機殼體，內(nèi)、外壁面及部件之間的作用力的合力，在發(fā)動機軸線方向的分力稱為推力（F）。動量方程：作用于物體的外力的合力，等于該物體的動量隨時間的變化率。對流動氣體，動量方程為：2023/8/30航空發(fā)動機原理55§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.2發(fā)動機推力公式的推導001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0氣體給與內(nèi)壁的作用力F內(nèi)

根據(jù)動量定理：

，

氣體給與外壁上的作用力F外2023/8/30航空發(fā)動機原理56§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.2發(fā)動機推力公式的推導影響推力的因素：空氣流量、氣流的增速。2023/8/30航空發(fā)動機原理57§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.4有效推力Fef表征實際工作中，考慮各種摩擦后的發(fā)動機實際推力。發(fā)動機的各種阻力發(fā)動機的內(nèi)推力（計算推力）附加阻力波阻外表摩擦阻力時，應按照截面1來計算。2023/8/30航空發(fā)動機原理58§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.4有效推力Fef附加阻力001199A1A9A0計算假設1：流量系數(shù)；實際情況：流量系數(shù)；

亞音速飛行時，C0>C1時，C0<C1時，

超音速飛行時，取決于進氣道前面的激波狀態(tài)。由于按照截面0計算，誤將發(fā)動機前方的氣流流管壁當成進氣道的一部分而計算其受到的向前的軸向力，這部分多算進去的推力即附件阻力。2023/8/30航空發(fā)動機原理59§

4.3渦噴發(fā)動機推力的計算4.3.4有效推力Fef波阻計算假設2：發(fā)動機表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力；實際情況：

亞音速飛行時，差別不大；超音速飛行時，由于發(fā)動機短艙外存在激波，使得發(fā)動機表面壓力大于大氣壓力，這部分壓差在