第2講(第1章) (2).ppt

航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 屠寶鋒南京航空航天大學能源與動力學院2013年9月 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 2 第一章緒論 內(nèi)容 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 要求 通過本講 了解航空燃氣渦輪發(fā)動機 以渦噴發(fā)動機為典型代表 的組成 各部件的功能 工作原理 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 3 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 渦輪噴氣發(fā)動機組成進氣道 壓氣機 燃燒室 渦輪 尾噴管及燃油 滑油系統(tǒng) 空氣及動力系統(tǒng) 附件系統(tǒng) 組成 對于加力式渦噴發(fā)動機還有加力燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 4 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 不同形式的進氣道 軸對稱進氣道 二元進氣道 T50 J11 幻影 SR71 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 5 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 不同形式的進氣道 A 10 鷂式 B777 C 17 皮托式進氣道 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 6 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 風扇 高壓壓氣機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 7 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 風扇 增壓壓氣機 高壓壓氣機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 8 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 燃燒室 管型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 9 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 燃燒室 管環(huán)型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 10 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 燃燒室 環(huán)型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 11 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 渦輪 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 12 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 尾噴管 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 13 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 渦輪噴氣發(fā)動機組成簡圖 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 14 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 進氣道 把氣體引入發(fā)動機 減速增壓亞聲速飛行時 以較小的總壓損失輸送空氣 超聲速飛行時 減速增壓是進氣道的一個主要功用 同時保證總壓損失較小 當飛行速度很高時 不再需要壓氣機 僅靠進氣道實現(xiàn)氣體增壓 變成沖壓發(fā)動機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 15 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 壓氣機 提高氣體壓力氣體流過壓氣機時 總 靜壓增加 能量增加 壓氣機運轉(zhuǎn)所需的動力 機械能 由渦輪提供 渦輪 壓氣機 空氣 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 16 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 燃燒室 將化學能轉(zhuǎn)化為熱能氣流近似于等壓燃燒 溫度大幅提高 燃燒室出口總溫越高 發(fā)動機推力越大 燃燒室出口的最大容許總溫由渦輪葉片的耐熱強度及渦輪的冷卻技術(shù)決定 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 17 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 渦輪 將熱能轉(zhuǎn)化為機械能從燃燒室出來的高溫高壓燃氣流進渦輪通道 在渦輪中膨脹 對渦輪做功 將氣體的部份熱能轉(zhuǎn)化成機械能來維持壓氣機旋轉(zhuǎn) 另一部分熱能用于提高氣體的速度 增加氣體的動能 一級渦輪可帶動多級軸流壓氣機 原因 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 18 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 假設單級高速渦輪落壓比 2 0 單級壓氣機增壓比 2 0壓氣機進口總溫 287K 渦輪進口總溫 1800K 能量守恒 單級壓氣機Luc 63kJ kg單級渦輪Lut 325kJ kg 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 19 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 尾噴管 排出氣體 增速減壓使渦輪出口燃氣在尾噴管中繼續(xù)膨脹 將部分熱焓轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?增加氣流速度 增大發(fā)動機推力 調(diào)節(jié)尾噴管面積 可以改變發(fā)動機的工作狀態(tài) 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 20 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 特征截面編號 教科書上劃分的特征截面編號 0 0發(fā)動機遠前方未擾動截面 1 1進氣道出口 壓氣機進口 2 2壓氣機出口 燃燒室進口 3 3燃燒室出口 渦輪進口 4 4渦輪出口 9 9尾噴管出口 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 21 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 單軸渦噴 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 22 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 雙軸渦扇 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 23 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 大涵道比渦扇 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 24 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 理想循環(huán)工質(zhì)為完全氣體 定壓比熱和定容比熱為定值 忽略氣體流動過程的流動損失 即流動等熵 加熱在等壓下進行 且燃油完全燃燒 尾噴管出口靜壓等于外界大氣壓 噴管完全膨脹 理想循環(huán)渦噴發(fā)動機的氣體壓力和比容積的關(guān)系 表示總參數(shù) 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 25 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 發(fā)動機以C0的速度飛行 排氣速度為C9 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 26 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 0 2 等熵壓縮過程0 1為進氣道利用速度沖壓的壓縮過程 流動絕熱 氣流流經(jīng)進氣道 總溫 總壓不變 速度減小 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 27 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 0 2 等熵壓縮過程1 2為壓氣機的壓縮過程 由于 氣流流經(jīng)壓氣機 總溫 總壓 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 28 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 2 3 定壓加熱過程為氣流流經(jīng)燃燒室時的等壓加熱過程 根據(jù)能量守恒方程 每公斤氣體加入的熱量為 由于 由于流動沒有損失 由于等壓膨脹 氣流流經(jīng)燃燒室 總壓 靜壓不變 總溫 速度和靜溫增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 29 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 3 9 等熵膨脹過程3 4為燃氣流過渦輪的膨脹過程 由于 過程為等熵膨脹 熱能 動能轉(zhuǎn)化為機械功 氣流流經(jīng)渦輪 總壓 總溫 靜溫 靜壓減小 速度增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 30 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 溫度下降 把熱能轉(zhuǎn)化成動能 4 9 等熵膨脹過程4 9為氣流在噴管內(nèi)進一步等熵膨脹加速 等熵過程 膨脹過程 氣流流經(jīng)尾噴管 總壓 總溫不變 靜溫 靜壓減小 速度增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 31 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 9 0 定壓放熱過程在發(fā)動機外部完成 燃氣從噴管排出后與大氣摻混 經(jīng)過與大氣熱交換后 燃氣溫度逐漸趨于大氣溫度 放出的熱量為 完全膨脹 這部分熱量損耗 無法再利用 靜壓不變 靜溫 速度減小 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 32 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 根據(jù)能量守恒 理想循環(huán)功等于 其中 Wi表示1公斤氣體在完成循環(huán)后 獲得的能量 等于PV圖中虛線所包圍面積 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 33 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 熱力學第一定律 對系統(tǒng)的加熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化和容積改變功之和 證明 理想循環(huán)功等于虛線所圍面積 對系統(tǒng)的加熱量等于系統(tǒng)焓的增量和等熵壓縮功之差 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 34 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 對于理想循環(huán)過程 可得 而 所以 證明 理想循環(huán)功等于虛線所圍面積 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 35 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 根據(jù)0 0截面至9 9截面的能量守恒關(guān)系 由于 和 可得 1 氣流流過發(fā)動機所獲得的能量增量等于其動能增量 2 理想循環(huán) 動能增量等于PV圖中虛線所包圍面積 3 噴管的作用 加速氣流 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 36 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 實際循環(huán)氣體成份是變化的 同時氣體溫度變化范圍很大 定壓比熱和定容比熱是變化的 實際過程總是有損失的 燃燒加熱過程中是減壓過程 氣體加熱膨脹 密度減小 速度增加 靜壓降低 噴管出口壓力通常大于大氣壓 實際循環(huán)功 pv圖上實際循環(huán)過程實線所包圍的面積 其中 多變壓縮功 多變膨脹功 2020 1 9 航空燃氣渦輪發(fā)動機原理 37 1 2渦輪噴氣發(fā)動機工作原理 根據(jù)伯努利方程 提供給壓氣機的渦輪功 膨脹過程摩擦損失 驅(qū)動螺旋槳 旋翼的渦輪功 壓氣機功 壓縮過程摩