第二部分 航空燃氣輪機的工作原理

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-3112023/2/5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)2023/2/522023/2/5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2.1.4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(biāo)及效率第二部分

航空燃氣輪機的工作原理2023/2/532023/2/5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2023/2/542.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理52.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理62.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理72.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理82.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理92.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理102.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理112.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理122.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理132.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理142.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理152.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理162.1.1發(fā)動機組成及簡圖2023/2/5航空發(fā)動機原理172.1.2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(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2023/2/5航空發(fā)動機原理182.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)1.理想循環(huán)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2023/2/5航空發(fā)動機原理192.1.2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(biāo)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2023/2/5航空發(fā)動機原理202.1.2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；壓；

1’~1壓氣機對工質(zhì)做功?？倷C械功：2023/2/5航空發(fā)動機原理212.1.2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pV02134p-V

等壓加熱過程1~2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2023/2/5航空發(fā)動機原理222.1.2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。總機械功：2023/2/5航空發(fā)動機原理232.1.2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pV02134p-V

等壓放熱過程4~1整個過程是向大氣放熱；

機械功為0：總放熱量為：2023/2/5航空發(fā)動機原理242.1.2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2023/2/5航空發(fā)動機原理252.1.2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)2023/2/5航空發(fā)動機原理262.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)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。2023/2/5航空發(fā)動機原理272.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)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2023/2/5航空發(fā)動機原理282.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)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2023/2/5航空發(fā)動機原理292.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)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：2023/2/5航空發(fā)動機原理302.1.2燃氣發(fā)生器的理想循環(huán)和實際循環(huán)2.實際循環(huán)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：2023/2/5航空發(fā)動機原理312.1.2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)2023/2/5航空發(fā)動機原理322.1.2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)2023/2/5航空發(fā)動機原理332.1.3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。2023/2/5航空發(fā)動機原理342.1.4

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2023/2/5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%2023/2/5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！進氣排氣A0A0A1A1A9A92023/2/5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。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A02023/2/5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)001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0計算Fin

根據(jù)動量定理：

，

計算Fout2023/2/5航空發(fā)動機原理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)2023/2/5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)，2023/2/5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。2023/2/5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有效推力Fef附加阻力001199A1A9A0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，

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(dāng)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。2023/2/5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。2023/2/5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。2023/2/5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！2023/2/5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(fēng)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2023/2/5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2023/2/5航空發(fā)動機原理48§2.4

航空燃氣輪機的性能指標(biāo)及效率2.4.1基本單位參