第二部分 航空燃氣輪機的工作原理.ppt

1、航空發(fā)動機原理,課時安排：56學(xué)時 民用航空系 劉磊 辦公室：A1S-311,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,2,緒論 航空發(fā)動機發(fā)動機發(fā)展回顧與展望 第11章 第一部分 熱力學(xué)和氣體動力學(xué)基礎(chǔ) 第1章 第二部分 航空燃氣輪機的工作原理 第2章 第三部分 發(fā)動機部件工作特性 第3,4章 第四部分 典型發(fā)動機工作特性 第5,6,7,8,9章 第五部分 其他發(fā)動機機簡介 第10章,課程結(jié)構(gòu),2020/8/17,2,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,3, 2.1 航空燃氣輪機工作原理 2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖 2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán) 2.1.3 雙軸式結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器

2、2.1.4 核心機 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算 2.3 航空燃氣輪機的性能指標及效率,第二部分航空燃氣輪機的工作原理,2020/8/17,3,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,4,發(fā)動機組成,2.1 航空燃氣輪機工作原理,2020/8/17,4,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,5,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,6,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,7,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,8,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,9,

3、2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,10,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,11,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,12,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,13,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,14,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,15,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,16,2.1.1 發(fā)動機組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,17,2.1.2 燃氣發(fā)生器的

4、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(fù)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。,2.1 航空燃氣輪機工作原理,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,18,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),1. 理想循環(huán),p,V,0,0,2,1,3,4,2,1,3,4,p-V,T,S,T-S,1-2 絕熱壓縮 2-3 等壓加熱 3-4 絕

5、熱膨脹 4-1 等壓放熱,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,19,2.1.2 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,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,20,2.1.2 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 12,p,V,0,2,1,3,4,p-V

6、,整個過程吸熱為0； 兩個階段： 11 迎面高速氣流在進氣道中的絕能流動，使工質(zhì)減速增； 壓； 11 壓氣機對工質(zhì)做功。 總機械功：,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,21,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等壓加熱過程 12,在燃燒室內(nèi)完成； 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,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,22,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,絕熱膨脹過程 34,整個過程吸熱為0； 兩個階段： 33 在渦輪中完成，

7、渦輪從工質(zhì)中獲得的機械功為： 34 在尾噴管或動力渦輪中完成，單位工質(zhì)所做的功為。 總機械功：,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,23,2.1.2 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,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等壓放熱過程 41,整個過程是向大氣放熱； 機械功為0： 總放熱量為：,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,24,2.1.2 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,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,25,2.1.2 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

8、熱比 和 吸熱量 ，比功 ，熱效率 之間的關(guān)系,理想燃氣輪機的熱效率 只與增壓比 有關(guān)， 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； 加熱量和比功不僅與增壓比 有關(guān)，還和加熱比 有關(guān),2020/8/17,航空發(fā)動機原理,26,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),2. 實際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 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

9、總的膨脹過程，而燃燒過程仍可看做等壓加熱過程。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,27,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),2. 實際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,表明壓縮過程流動損失：,絕熱壓縮效率,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,28,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),2. 實際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,表明膨脹過程流動損失：,絕熱膨脹效率,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,29,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理

10、想循環(huán)和實際循環(huán),2. 實際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 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：,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,30,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),2. 實際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,實際循環(huán)的比功,實際循環(huán)的熱效率：,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,31,2.1.2 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(guān)系

11、,實際循環(huán)的熱效率 不只與增壓比 有關(guān)，而且與循環(huán)增壓比 有關(guān)。 實際循環(huán)的效率隨增壓比增加，不再是單調(diào)增大，而起有一個極限值，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),2020/8/17,航空發(fā)動機原理,32,2.1.2 燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán),設(shè)計應(yīng)用： 1、由于加熱比 越大，循環(huán)的比功和熱效率越高，所以設(shè)計燃氣輪機時，應(yīng)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

12、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(shè)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),2020/8/17,航空發(fā)動機原理,33,2.1.3 雙軸式結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器,雙軸式結(jié)構(gòu)特點,使壓氣機在更廣闊的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，是 壓氣機防喘的有效措施之一； 在低轉(zhuǎn)速下具有較高的壓氣機效率，因此可以使燃氣發(fā)生器在較低的渦輪前溫度下工作。由于渦輪前燃氣溫度較低而且壓氣機不易產(chǎn)生喘振，在加速時可以噴人更多的燃油，使雙軸燃氣輪機具有良好加速性能； 由于雙軸燃氣發(fā)生器在非設(shè)計工況下具有較高的壓氣機

13、效率，因此在非設(shè)計工況下的耗油率比單軸的低； 雙軸的起動時，起動機只需要帶動一個轉(zhuǎn)子，與同樣參數(shù)的單軸比，可以采用較小功率的發(fā)動機。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,34,2.1.4 核心機,1. 單軸燃氣輪機壓氣機和渦輪 2. 雙軸燃氣輪機高壓壓氣機和高壓渦輪,核心機,燃氣發(fā)生器,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,35, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.1 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%,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,36, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.1 概述,

14、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(fù)雜，無法確切知道部件表面各處的氣體壓力和粘力！,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,37, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.2 發(fā)動機推力公式的推導(dǎo),計算假設(shè)： 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。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,38, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.2 發(fā)動機推力公式的推導(dǎo),計算Fin,根據(jù)動量定理：,，,計算Fout,2020/8/17,航空發(fā)動

15、機原理,39, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.2 發(fā)動機推力公式的推導(dǎo),2020/8/17,航空發(fā)動機原理,40, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.3 用氣動函數(shù)表示的推力公式的推導(dǎo),發(fā)動機在地面工作時，C0=0,多數(shù)情況，尾噴管處于臨界狀態(tài)，,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,41, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.4 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(yīng)按照截面1來計算。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,42, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.4

16、有效推力Fef,附加阻力,計算假設(shè)1：流量系數(shù) ；,實際情況：流量系數(shù) ； 亞音速飛行時， C0C1時， C0C1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。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,43, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.4 有效推力Fef,波阻,計算假設(shè)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 在發(fā)動機軸向投影的總和

17、即為發(fā)動機的波阻 。 波阻大小與飛機的飛行速度、發(fā)動機短艙外形、發(fā)動機安裝情況、尾噴管噴出的高速燃氣流的干擾都有很大關(guān)系，需要實驗方法確定。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,44, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.4 有效推力Fef,外表摩擦阻力,計算假設(shè)3：氣體流經(jīng)發(fā)動機外表面時，沒有摩擦阻力。,實際情況： 發(fā)動機短艙外表面存在摩擦阻力 ； 大小與發(fā)動機短艙的外形及飛行馬赫數(shù)和雷諾數(shù)有關(guān)，需要用實驗方法確定。,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,45, 2.2 渦噴發(fā)動機推力的計算,2.2.4 有效推力Fef,發(fā)動機外部阻力與發(fā)動機短艙的形狀、發(fā)動機在飛機的安裝位置以及飛行條件密切

18、相關(guān)，在不涉及某一架具體飛機而單獨討論發(fā)動機的推力時，不考慮這些阻力！,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,46,2.3 推進器部分,1. 不同推進器的推力,推進器包括：尾噴管、螺旋槳、風扇和噴管等。 通過燃氣發(fā)生器，每千克空氣產(chǎn)生的可用功為 （比功）,在可用功相同條件下，流量較大的噴射流可獲得較大的推力。 空氣流量：螺旋槳渦扇渦噴 推力 ：螺旋槳渦扇渦噴,推力,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,47,2.3 推進器部分,2. 發(fā)動機的推進效率,推進效率：衡量可用功轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機前進的推進功的程度。,每千克空氣通過發(fā)動機時每秒鐘所做的推進功為：,排出氣體的動能，,可用功,推進效率,2020/8/17,航空發(fā)動機原理,48, 2.4 航空燃氣輪機的性能指標及效率,2.4.1 基本單位參數(shù),2020/8/17,航空發(fā)動機原理,49, 2.4 航空燃氣輪機的性能指標及效率,2.4.1