第2講(第1章) (2).ppt

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 屠寶鋒南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院2013年9月 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 2 第一章緒論 內(nèi)容 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 要求 通過(guò)本講 了解航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 以渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表 的組成 各部件的功能 工作原理 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 3 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組成進(jìn)氣道 壓氣機(jī) 燃燒室 渦輪 尾噴管及燃油 滑油系統(tǒng) 空氣及動(dòng)力系統(tǒng) 附件系統(tǒng) 組成 對(duì)于加力式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)還有加力燃燒室 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 4 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 不同形式的進(jìn)氣道 軸對(duì)稱進(jìn)氣道 二元進(jìn)氣道 T50 J11 幻影 SR71 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 5 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 不同形式的進(jìn)氣道 A 10 鷂式 B777 C 17 皮托式進(jìn)氣道 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 6 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 風(fēng)扇 高壓壓氣機(jī) 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 7 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 風(fēng)扇 增壓壓氣機(jī) 高壓壓氣機(jī) 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 8 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 燃燒室 管型燃燒室 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 9 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 燃燒室 管環(huán)型燃燒室 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 10 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 燃燒室 環(huán)型燃燒室 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 11 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 渦輪 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 12 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 尾噴管 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 13 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組成簡(jiǎn)圖 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 14 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 進(jìn)氣道 把氣體引入發(fā)動(dòng)機(jī) 減速增壓亞聲速飛行時(shí) 以較小的總壓損失輸送空氣 超聲速飛行時(shí) 減速增壓是進(jìn)氣道的一個(gè)主要功用 同時(shí)保證總壓損失較小 當(dāng)飛行速度很高時(shí) 不再需要壓氣機(jī) 僅靠進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)氣體增壓 變成沖壓發(fā)動(dòng)機(jī) 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 15 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 壓氣機(jī) 提高氣體壓力氣體流過(guò)壓氣機(jī)時(shí) 總 靜壓增加 能量增加 壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力 機(jī)械能 由渦輪提供 渦輪 壓氣機(jī) 空氣 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 16 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 燃燒室 將化學(xué)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(dòng)機(jī)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(qiáng)度及渦輪的冷卻技術(shù)決定 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 17 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 渦輪 將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從燃燒室出來(lái)的高溫高壓燃?xì)饬鬟M(jìn)渦輪通道 在渦輪中膨脹 對(duì)渦輪做功 將氣體的部份熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能來(lái)維持壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn) 另一部分熱能用于提高氣體的速度 增加氣體的動(dòng)能 一級(jí)渦輪可帶動(dòng)多級(jí)軸流壓氣機(jī) 原因 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 18 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 假設(shè)單級(jí)高速渦輪落壓比 2 0 單級(jí)壓氣機(jī)增壓比 2 0壓氣機(jī)進(jìn)口總溫 287K 渦輪進(jìn)口總溫 1800K 能量守恒 單級(jí)壓氣機(jī)Luc 63kJ kg單級(jí)渦輪Lut 325kJ kg 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 19 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 尾噴管 排出氣體 增速減壓使渦輪出口燃?xì)庠谖矅姽苤欣^續(xù)膨脹 將部分熱焓轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能 增加氣流速度 增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力 調(diào)節(jié)尾噴管面積 可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 20 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 特征截面編號(hào) 教科書上劃分的特征截面編號(hào) 0 0發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)前方未擾動(dòng)截面 1 1進(jìn)氣道出口 壓氣機(jī)進(jìn)口 2 2壓氣機(jī)出口 燃燒室進(jìn)口 3 3燃燒室出口 渦輪進(jìn)口 4 4渦輪出口 9 9尾噴管出口 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 21 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 特征截面編號(hào) 目前主流的特征截面編號(hào) 單軸渦噴 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 22 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 特征截面編號(hào) 目前主流的特征截面編號(hào) 雙軸渦扇 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 23 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 特征截面編號(hào) 目前主流的特征截面編號(hào) 大涵道比渦扇 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 24 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)過(guò)程的流動(dòng)損失 即流動(dòng)等熵 加熱在等壓下進(jìn)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(dòng)機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 25 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 發(fā)動(dòng)機(jī)以C0的速度飛行 排氣速度為C9 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 26 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 0 2 等熵壓縮過(guò)程0 1為進(jìn)氣道利用速度沖壓的壓縮過(guò)程 流動(dòng)絕熱 氣流流經(jīng)進(jìn)氣道 總溫 總壓不變 速度減小 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 27 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 0 2 等熵壓縮過(guò)程1 2為壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程 由于 氣流流經(jīng)壓氣機(jī) 總溫 總壓 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 28 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 2 3 定壓加熱過(guò)程為氣流流經(jīng)燃燒室時(shí)的等壓加熱過(guò)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(dòng)沒(méi)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 29 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 3 9 等熵膨脹過(guò)程3 4為燃?xì)饬鬟^(guò)渦輪的膨脹過(guò)程 由于 過(guò)程為等熵膨脹 熱能 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 30 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 溫度下降 把熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能 4 9 等熵膨脹過(guò)程4 9為氣流在噴管內(nèi)進(jìn)一步等熵膨脹加速 等熵過(guò)程 膨脹過(guò)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 31 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 9 0 定壓放熱過(guò)程在發(fā)動(dòng)機(jī)外部完成 燃?xì)鈴膰姽芘懦龊笈c大氣摻混 經(jīng)過(guò)與大氣熱交換后 燃?xì)鉁囟戎饾u趨于大氣溫度 放出的熱量為 完全膨脹 這部分熱量損耗 無(wú)法再利用 靜壓不變 靜溫 速度減小 2020 1 9 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 32 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 33 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 熱力學(xué)第一定律 對(duì)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(duì)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 34 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 對(duì)于理想循環(huán)過(guò)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 35 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所獲得的能量增量等于其動(dòng)能增量 2 理想循環(huán) 動(dòng)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 36 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 實(shí)際循環(huán)氣體成份是變化的 同時(shí)氣體溫度變化范圍很大 定壓比熱和定容比熱是變化的 實(shí)際過(guò)程總是有損失的 燃燒加熱過(guò)程中是減壓過(guò)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(shí)際循環(huán)功 pv圖上實(shí)際循環(huán)過(guò)程實(shí)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理 37 1 2渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 根據(jù)伯努利方程 提供給壓氣機(jī)的渦輪功 膨脹過(guò)程摩擦損失 驅(qū)動(dòng)螺旋槳 旋翼的渦輪功 壓氣機(jī)功 壓縮過(guò)程摩