渦輪發(fā)動機基礎(chǔ)知識-發(fā)動機推力原理

發(fā)動機參數(shù)一、推力及其相關(guān)參數(shù)對燃氣渦輪發(fā)動機而言，發(fā)動機推力是發(fā)動機的最主要性能參數(shù)。發(fā)動機的推力只能在地面發(fā)動機試車臺架上準(zhǔn)確測出，對于給定的發(fā)動機實際使用時可以通過發(fā)動機的工作參數(shù)來間接表征發(fā)動機推力大小。一般用來表征發(fā)動機推力的基本參數(shù)有：轉(zhuǎn)速n、壓力比EPR等等。

1.單位推力

一、推力及其相關(guān)參數(shù)影響推力的因素：影響發(fā)動機推力的參數(shù)有空氣流量和速度增量。當(dāng)氣體流過發(fā)動機時，在速度增量不變的情形下，空氣流量越大，推力就越大；空氣流量越小，推力也越小。這是目前民航機最常用的高涵道渦扇發(fā)動機提高推力的主要途徑之間時空氣流量增加會使發(fā)動機外廓尺寸相應(yīng)增加，發(fā)動機迎風(fēng)阻力也增加。1.單位推力一、推力及其相關(guān)參數(shù)單位推力：發(fā)動機的推力與每秒鐘流過發(fā)動機的空氣質(zhì)量流量之比。意義：每秒一公斤空氣質(zhì)量流量能產(chǎn)生多少牛頓的推力。單位推力是渦輪噴氣發(fā)動機的最重要的性能參數(shù)之一在給定飛行條件，發(fā)動機尺寸和重量的情況下，單位推力越大，發(fā)動機的推力也就越大。1.單位推力一、推力及其相關(guān)參數(shù)推重比：發(fā)動機的推力和發(fā)動機的凈重之比。推重比是一個綜合性的性能指標(biāo)，它不僅體現(xiàn)渦輪噴氣發(fā)動機的氣動熱力循環(huán)方面的水平（如高的單位推力），也體現(xiàn)結(jié)構(gòu)方面的水平。目前，渦輪噴氣發(fā)動機在地面時的推重比為3.5~4，渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機已達10以上。2.推重比一、推力及其相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)速：發(fā)動機推力隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不僅是影響發(fā)動機推力的最主要參數(shù)，而且還可以較全面的反映發(fā)動機承受的機械負荷的大小，反映發(fā)動機的強度和發(fā)動機狀態(tài)，所以，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可表征發(fā)動機推力大小，并作為推力設(shè)置的最基本參數(shù)。3.轉(zhuǎn)速前推油門進入燃燒室的燃油量增加渦輪前溫度增加渦輪功增加發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加壓氣機增壓比增加進入發(fā)動機的空氣流量增加燃氣的膨脹能力增加，更多的能量在噴管中轉(zhuǎn)換成氣體的動能排氣速度增加一、推力及其相關(guān)參數(shù)雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，N1表示低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速），N2表示高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。高涵道比渦扇發(fā)動機，由于發(fā)動機推力主要由外涵風(fēng)扇產(chǎn)生，所以常用發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1來表征發(fā)動機推力大小。3.轉(zhuǎn)速一、推力及其相關(guān)參數(shù)發(fā)動機壓力比EPR描述氣體在發(fā)動機內(nèi)獲得的總壓增量，反映發(fā)動機推力的大小（EPR越高，氣體在發(fā)動機內(nèi)獲得的機械能增量越大，氣體在噴管內(nèi)膨脹能力越強，排氣速度越高，發(fā)動機推力越大。）4.發(fā)動機壓力比EPR（EnginePressureRatio）一、推力及其相關(guān)參數(shù)EPR（內(nèi)涵EPR）：渦輪出口總壓與壓氣機進口總壓之比。外涵EPR：高涵道比渦扇發(fā)動機，風(fēng)扇出口氣體總壓與風(fēng)扇進口氣體總壓之比。

4.發(fā)動機壓力比EPR（EnginePressureRatio）一、推力及其相關(guān)參數(shù)發(fā)動機工作時，燃料燃燒后所放出的熱能，并不能全部用來對飛機做功，推動飛機前進，還有很大一部分能量在轉(zhuǎn)換成推進功的過程中損失掉了，能量損失的大小可通過發(fā)動機的效率來描述。二、發(fā)動機效率參數(shù)熱效率：發(fā)動機氣流動能增量與燃油完全燃燒所放出的熱量之比。描述發(fā)動機由熱能轉(zhuǎn)換成氣體動能增量過程中的能量損失大小，評定渦輪噴氣發(fā)動機作為熱機的經(jīng)濟性。目前燃氣渦輪發(fā)動機的熱效率為25%～40%。燃料的理論放熱量，不可能全部轉(zhuǎn)換成氣體動能增量，其中損失的能量有：（1）高溫燃氣自噴管噴出時所帶走的熱量；（2）發(fā)動機表面的散熱損失和滑油所帶走的熱量；（3）燃燒室中不完全燃燒和燃燒產(chǎn)物的離解損失，因未釋放出熱能的燃料及中間燃燒產(chǎn)物的熱量最終也隨燃氣排出發(fā)動機。1.熱效率

二、發(fā)動機效率參數(shù)推進效率：發(fā)動機的推進功與發(fā)動機氣流的動能增量之比。描述發(fā)動機由氣體動能增量轉(zhuǎn)變成飛機推進功過程中的能量損失大小。評定渦輪噴氣發(fā)動機作為推進器的經(jīng)濟性。取決于飛行速度C0和噴氣速度C5。由于存在離速損失，推進效舉肯定小1；目前燃氣渦輪發(fā)動機的推進效率一般為50%～75%。2.推進效率

二、發(fā)動機效率參數(shù)總效率：熱效率與推進效率的乘積，表示加入燃燒室的燃油完全燃燒時放出的熱量，有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿语w機前進的推進功。描述發(fā)動機由熱能轉(zhuǎn)變成推進功過程中的能量損失大小，評定燃氣渦輪發(fā)動機作為產(chǎn)生推力的動力裝置的經(jīng)濟性。目前，燃氣渦輪發(fā)動機總效率約為20%～32%。3.總效率

二、發(fā)動機效率參數(shù)

三、發(fā)動機其他主要參數(shù)3.燃油（使用）量Fused：反映發(fā)動機在不同狀態(tài)和不同性能時燃油使用量；評判發(fā)動機順利工作和測定飛行中消耗的燃油量。4.振動值：發(fā)動機振動值常用符號VIB（Vibration）表示。連續(xù)地監(jiān)視發(fā)動機的振動水平。三、發(fā)動機其他主要參數(shù)1.燃油消耗量（燃油流量，F(xiàn)uelFlow）：發(fā)動機單位時間內(nèi)消耗的燃油量。推力相等的發(fā)動機，可以用燃油消耗量來比較經(jīng)濟性；推力不相等的發(fā)動機，須使用燃油消耗率比較經(jīng)濟性。2.耗油率sfc（specificfuelconsumption）：產(chǎn)生1牛頓（或10牛頓）推力每小時所消耗的燃油量，稱為單位燃油消耗率。在一定的飛行馬赫數(shù)下，單位燃油消耗率和總效率成反比。當(dāng)發(fā)動機輸出的推力一定時，發(fā)動機總效率越高，說明能量損失越小，發(fā)動機的燃油消耗必然較小。四、發(fā)動機性能參數(shù)航空發(fā)動機基本組成任務(wù)初步認知發(fā)動機子任務(wù)1識別發(fā)動機主要組成部件子任務(wù)2說出發(fā)動機如何推動飛機前進二推力原理描述發(fā)動機工作過程吸氣壓縮燃燒膨脹噴射壓縮燃燒膨脹cC5推力二推力原理安裝節(jié)吊架發(fā)動機安裝節(jié)和短艙一起安裝在吊架上發(fā)動機安裝節(jié)和短艙一起安裝在吊架上二推力原理C5C二推力原理2.推力產(chǎn)生原理228%128%100%推力分布二推力原理討論影響推力的主要因素有哪些？空氣流量進排氣速度差值、高溫高壓二推力原理討論超高速飛行器上會使用噴氣發(fā)動機嗎二推力原理高速飛行器（M>3）會采用渦輪噴氣發(fā)動機嗎會采用不會采用AB提交小結(jié)航空發(fā)動機推力產(chǎn)生原理發(fā)動機特性一、發(fā)動機工作狀態(tài)飛行中不同的飛行階段對發(fā)動機的推力（功率）有不同要求，因而發(fā)動機對應(yīng)有不同的工作狀態(tài)。實際飛行中，油門桿在不同的位置，對應(yīng)了發(fā)動機不同的轉(zhuǎn)速，給定了不同的發(fā)動機狀態(tài)，由發(fā)動機推力和燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線，可以得到常見的以下幾種發(fā)動機狀態(tài)。2.1.1發(fā)動機的狀態(tài)2.1發(fā)動機工作狀態(tài)1.最大狀態(tài)：發(fā)動機在最大轉(zhuǎn)速和最高渦輪前溫度時的狀態(tài)為最大狀態(tài)，此時發(fā)動機可發(fā)出最大推力（功率）。發(fā)動機在最大狀態(tài)下工作時，轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度最高，發(fā)動機各部件承受的負荷最大，連續(xù)工作時間一般不超過5min。使用中，要防止發(fā)動機超溫、超轉(zhuǎn)、超時。緊急起飛，短跑道起飛，高溫、高原機場起飛（縮短起飛滑跑距離）復(fù)飛（最大上升率）2.額定狀態(tài)：設(shè)計發(fā)動機所規(guī)定的基準(zhǔn)工作狀態(tài)。相應(yīng)的發(fā)動機參數(shù)分別稱為額定轉(zhuǎn)速、額定推力（功率）。額定狀態(tài)時發(fā)動機推力一般為最大推力的90%，轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的95%。發(fā)動機在此狀態(tài)工作時，由于轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度比最大狀態(tài)低一些，各部件承受的負荷要小一些，所以發(fā)動機連續(xù)工作時間可長些，連續(xù)工作時間限制在30~60min。正常起飛緊急爬升3.最大連續(xù)狀態(tài)：發(fā)動機可長時間連續(xù)工作時批準(zhǔn)使用的工作狀態(tài)。連續(xù)使用時間不受限制。發(fā)動機推力約為最大推力的80%，轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的90%。連續(xù)工作時間限制在30~60min。飛機爬升大速度平飛雙發(fā)飛機單發(fā)飛行需要特別指出的是，目前一些美、英制發(fā)動機中，沒有專門規(guī)定發(fā)動機額定狀態(tài)，而只有發(fā)動機最大連續(xù)工作狀態(tài)，使用時間也不受限制。為了延長發(fā)動機的在翼壽命，正常情況下不使用該狀態(tài)4.巡航狀態(tài)：飛機作巡航飛行時所使用的發(fā)動機狀態(tài)。連續(xù)使用時間不受限制，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的85%。巡航狀態(tài)用于飛機巡航飛行，連續(xù)使用時間不受限制。5.慢車狀態(tài)：發(fā)動機穩(wěn)定、連續(xù)工作的最小轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)。連續(xù)使用時間不受限制。發(fā)動機推力約為最大推力的5%，轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的20~35%。這一狀態(tài)下渦輪前總溫較高，連續(xù)工作時間限制在30~60min。飛機著陸快速下降地面滑行發(fā)動機冷轉(zhuǎn)慢車轉(zhuǎn)速較低，慢車推力較小，可以改善飛機的著陸及滑行性能。但慢車轉(zhuǎn)速過小，會影響在空中飛行的飛機及發(fā)動機的一些性能，如：大雨中飛行，發(fā)動機容易熄火；發(fā)動機引氣量不足，影響飛機和發(fā)動機防冰的可靠性等。所以，有些發(fā)動機的慢車狀態(tài)分為高慢車狀態(tài)和低慢車狀態(tài)。當(dāng)飛機在空中，油門收到最后時，保持高慢車狀態(tài)；當(dāng)飛機主輪著地后，自動轉(zhuǎn)換成低慢車狀態(tài)，從而滿足飛機和發(fā)動機性能的需要。低慢車（地面慢車）高慢車（飛行慢車或近進慢車）二、發(fā)動機特性單軸渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機和渦輪用一根軸相連接，在壓氣機和渦輪之間裝有燃燒室，這就組成了一個燃氣發(fā)生器，燃氣發(fā)生器加上進氣道和噴管組成單軸渦輪噴氣發(fā)動機。盡管目前很少用單軸渦輪噴氣發(fā)動機作為航空動力裝置，但是，它是分析其它類型燃氣渦輪發(fā)動機的基礎(chǔ)，同時，單軸渦輪噴氣發(fā)動機的燃氣發(fā)生器是其它各種類型燃氣渦輪發(fā)動機的核心機。通過學(xué)習(xí)單軸渦輪噴氣發(fā)動機，可以由淺入深建立各主要部件之間的相互制約關(guān)系和相互匹配要求，為學(xué)習(xí)其它各種類型燃氣渦輪發(fā)動機打下良好基礎(chǔ)。二、發(fā)動機特性通常把燃氣發(fā)生器（壓氣機、燃燒室及渦輪）的共同工作，稱為壓氣機和渦輪的共同工作，當(dāng)發(fā)動機某一部件工作情況發(fā)生變化時，往往通過壓氣機和渦輪的共同工作來影響發(fā)動機的總體性能。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的情況，發(fā)動機的工作分為穩(wěn)定和過渡兩種狀態(tài)。穩(wěn)定工作狀態(tài)：指發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速連續(xù)工作，即轉(zhuǎn)速恒定不變的狀態(tài)。過渡工作狀態(tài)（即動態(tài)）：轉(zhuǎn)速在變化著的工作狀態(tài)。發(fā)動機從一個穩(wěn)定工作狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定工作狀態(tài)。加速過程：轉(zhuǎn)速增大減速過程：轉(zhuǎn)速減?。ㄒ唬┌l(fā)動機穩(wěn)態(tài)下的共同工作二、發(fā)動機特性1.穩(wěn)定工作的條件（單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機）1）轉(zhuǎn)速一致：單軸渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機和渦輪用一根軸相連接，壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)速一致。2）流量連續(xù)：對于壓氣機設(shè)有放氣裝置的發(fā)動機來說，流過渦輪的燃氣流量等于流過壓氣機的空氣流量與在燃燒室內(nèi)加入的燃料流量之和，再扣除由壓氣機引往其他部分（如對渦輪進行冷卻）的空氣量。一般認為加入的燃料流量與扣除的空氣流量近似相等。所以，可以認為流過渦輪的燃氣流量與流過壓氣機的空氣流量相等。（一）發(fā)動機穩(wěn)態(tài)下的共同工作二、發(fā)動機特性1.穩(wěn)定工作的條件（單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機）3）壓力平衡：渦輪進口總壓等于壓氣機總壓乘以燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)。4）功率平衡：渦輪噴氣發(fā)動機中，渦輪發(fā)出功率用來轉(zhuǎn)動壓氣機和其它附件，因為附件消耗的功率很?。ㄒ话銥閴簹鈾C功率的1.5～2.0%），可以忽略不計，所以，發(fā)動機轉(zhuǎn)速取決于渦輪功率和壓氣機功率。要保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，必須保證發(fā)動機轉(zhuǎn)子功率的供需平衡，使渦輪功率等于壓氣機功率。（一）發(fā)動機穩(wěn)態(tài)下的共同工作二、發(fā)動機特性2.如何保持穩(wěn)定工作狀態(tài)的共同工作當(dāng)發(fā)動機工作時外界條件變化或發(fā)動機某一部件的幾何參數(shù)變化時，由于渦輪與壓氣機功率的變化不完全相同，渦輪功率不能始終等于壓氣機功率，破壞了渦輪功率與壓氣機的平衡，發(fā)動機轉(zhuǎn)速便發(fā)生變化。例如，飛行高度升高時，大氣密度減小，發(fā)動機的空氣流量減小，如果此時供油量保持不變，渦輪前燃氣溫度就會升高，使渦輪功率大于壓氣機功率，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大，發(fā)動機便不能繼續(xù)在原來的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作。措施：為了保持發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作，必須隨著發(fā)動機工作條件的變化，調(diào)節(jié)供油量（燃油調(diào)節(jié)器）來控制渦輪前燃氣溫度，使渦輪功率等于壓氣機功率。（二）發(fā)動機過渡態(tài)下的共同工作二、發(fā)動機特性1.加速狀態(tài)下壓氣機與渦輪的共同工作剩余功率：渦輪功率與壓氣機功率之差；發(fā)動機加速的必要條件：有剩余功率改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最好方法是，改變渦輪前燃氣溫度以改變渦輪功率，可以借操縱供油量來實現(xiàn)。（二）發(fā)動機過渡態(tài)下的共同工作2.2發(fā)動機特性1.加速狀態(tài)下壓氣機與渦輪的共同工作供油量增加得多，渦輪前燃氣溫度就高，剩余功率就大，發(fā)動機的加速性就好。但是，供油量不能增加得過多。限制供油量增加的主要原因有如下三方面：1）渦輪前燃氣總溫不能超溫渦輪前燃氣總溫不能超溫，否則，就有燒壞渦輪葉片的危險。2）不能引起壓氣機喘振過高的渦輪前燃氣總溫會使曲線穿過壓氣機的喘振邊界曲線，這是不允許的。3）不能引起富油熄火（二）發(fā)動機過渡態(tài)下的共同工作2.2發(fā)動機特性1.加速狀態(tài)下壓氣機與渦輪的共同工作大氣溫度降低、大氣壓力升高或飛行速度增大時，空氣流量增大，剩余功率增大，加速性好；大氣溫度升高，大氣壓力降低或飛行速度減小時，空氣流量減少，剩余功率減少，加速性差；發(fā)動機加速性，高空比低空差，低速飛行比高速飛行差，夏天比冬天差。（二）發(fā)動機過渡態(tài)下的共同工作2.2發(fā)動機特性2.減速狀態(tài)下壓氣機與渦輪的共同工作渦輪功率小于壓氣機功率時，發(fā)動機便處于減速狀態(tài)。就是說，要減小發(fā)動機轉(zhuǎn)速，就要收油門手柄，減小供油量，降低渦輪前燃氣溫度，使渦輪功率小于壓氣機功率。（三）轉(zhuǎn)速特性2.2發(fā)動機特性轉(zhuǎn)速特性：保持飛行高度和飛行速度不變的情況下，發(fā)動機推力和燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律叫發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性。（三）轉(zhuǎn)速特性2.2發(fā)動機特性從圖中可以看出：推力隨轉(zhuǎn)速的增大一直增大，而且轉(zhuǎn)速越大，推力隨轉(zhuǎn)速增大而增長的越快。燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，到接近最大轉(zhuǎn)速時，又略有增大。大氣溫度上升，空氣密度減小，在同樣的轉(zhuǎn)速下，流過發(fā)動機的空氣流量減小，壓氣機增壓比下降，使發(fā)動機推力減小，使燃油消耗率增加。大氣壓力上升，使總壓上升，造成流量和沿流程各截面上的總壓增加，推力增加，但燃油消耗率不受影響。大氣濕度上升，空氣密度下降，空氣流量下降，發(fā)動機推力將下降。大氣濕度上升，空氣的定壓比熱增大