第二部分航空燃气轮机的工作原理.ppt

航空发动机原理,2023/2/4,航空发动机原理,2,绪论 航空发动机发动机发展回顾与展望 第11章第一部分 热力学和气体动力学基础 第1章第二部分 航空燃气轮机的工作原理 第2章第三部分 发动机部件工作特性 第3,4章第四部分 典型发动机工作特性 第5,6,7,8,9章第五部分 其他发动机机简介 第10章,课程结构,2023/2/4,2,2023/2/4,航空发动机原理,3,2.1 航空燃气轮机工作原理 2.1.1 发动机组成及简图 2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2.1.3 推进器部分 2.2 涡喷发动机推力的计算 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,第二部分航空燃气轮机的工作原理,2023/2/4,3,2023/2/4,航空发动机原理,4,发动机组成,2.1 航空燃气轮机工作原理,2023/2/4,4,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,5,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,6,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,7,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,8,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,9,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,10,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,11,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,12,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,13,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,14,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,15,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,16,2.1.1 发动机组成及简图,2023/2/4,航空发动机原理,17,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,燃气发生器是各类燃气轮机的热机部分，包括压气机、燃烧室和带动压气机的那部分涡轮。原理：利用工质重复地进行某些工作过程同时不断吸热做功。理想循环 工质为空气，为理想气体，其比热为常数，不随气体温度和压力而变化。整个工作过程没有流动损失，压缩过程与膨胀过程为绝热等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）和机械损失。,2.1 航空燃气轮机工作原理,2023/2/4,航空发动机原理,18,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,1.理想循环,p,V,0,0,2,1,3,4,2,1,3,4,p-V,T,S,T-S,1-2 绝热压缩 2-3 等压加热 3-4 绝热膨胀 4-1 等压放热,2023/2/4,航空发动机原理,19,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,1.理想循环,（1）衡量燃气发生器性能的指标热效率：加入每千克空气的热量中所能产生的可用功与所加热量之比。比功：单位质量空气所作的功。（2）表示理想燃气轮机循环工作状态的参数增压比：压气机出口静压与周围大气压力之比。加热比：燃烧室出口温度与外界大气温度之比。（3）理想燃气轮机循环分析,能量方程式,2023/2/4,航空发动机原理,20,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,绝热压缩过程 12,p,V,0,2,1,3,4,p-V,整个过程吸热为0；两个阶段：11 迎面高速气流在进气道中的绝能流动，使工质减速增加；11 压气机对工质做功。总机械功：,2023/2/4,航空发动机原理,21,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等压加热过程 12,在燃烧室内完成；工质所做的机械功为0：工质吸热量：,为 循环的加热比,2023/2/4,航空发动机原理,22,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,绝热膨胀过程 34,整个过程吸热为0；两个阶段：33 在涡轮中完成，涡轮从工质中获得的机械功为：34 在尾喷管或动力涡轮中完成，单位工质所做的功为。总机械功：,2023/2/4,航空发动机原理,23,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等压放热过程 41,整个过程是向大气放热；机械功为0：总放热量为：,2023/2/4,航空发动机原理,24,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,比功,热效率,或,吸热量,放热量,2023/2/4,航空发动机原理,25,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,（3）理想燃气轮机循环分析,分析：增压比，加热比 和 吸热量，比功，热效率 之间的关系,理想燃气轮机的热效率 只与增压比 有关，随 增大而单调增加；在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为最佳增压比，记为，最佳增压比随加热比增大而增大；在增压比相同的条件下，比功 随加热比增大而增大。,2023/2/4,航空发动机原理,26,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2.实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,在压缩和膨胀两个绝热过程中，由于存在流动损失，过程中熵增加，因此将绝热过程改成多变过程，n代替k。把燃烧室的压力损失归入总的膨胀过程，而燃烧过程仍可看做等压加热过程。,2023/2/4,航空发动机原理,27,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2.实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,表明压缩过程流动损失：,绝热压缩效率,2023/2/4,航空发动机原理,28,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2.实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,表明膨胀过程流动损失：,绝热膨胀效率,2023/2/4,航空发动机原理,29,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2.实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,总压缩过程中，外界对单位工质做功：,总膨胀过程中，单位工质对外界做功：,2023/2/4,航空发动机原理,30,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,2.实际循环,p,2,1,3,4,1-2 多变压缩n k 2-3 等压加热 3-4 多变膨胀nk 4-1 等压放热,实际循环的比功,实际循环的热效率：,2023/2/4,航空发动机原理,31,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,分析：增压比，加热比 和 吸热量，比功，热效率 之间的关系,实际循环的热效率 不只与增压比 有关，而且与循环增压比 有关。实际循环的效率随增压比增加，不再是单调增大，而起有一个极限值，使热效率达极大值的增压比为最经济增压比，记为在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为最佳增压比，记为，在实际循环中，随着循环加热比 越大，损失所占热量的比例相对减小，因此，加热比 越大，越大，越高。,2.实际循环,2023/2/4,航空发动机原理,32,2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环,设计应用：1、由于加热比 越大，循环的比功和热效率越高，所以设计燃气轮机时，应在材料耐热许可的情况下，尽量提高加热比。2、在加热比选定的情况下，增压比=最佳增压比时，比功最大；增压比=最经济增压比时，热效率最高；因此，为了降低燃气轮机的耗油率同时又能输出较大的功率，设计增压比一般大于最佳增压比低于最经济增压比。,2.实际循环,2023/2/4,航空发动机原理,33,2.1.3 推进器部分,1.不同推进器的推力,推进器包括：尾喷管、螺旋桨、风扇和喷管等。通过燃气发生器，每千克空气产生的可用功为（比功）,在可用功相同条件下，流量较大的喷射流可获得较大的推力。空气流量：螺旋桨涡扇涡喷 推力：螺旋桨涡扇涡喷,推力,2023/2/4,航空发动机原理,34,2.1.3 推进器部分,2.发动机的推进效率,衡量可用功转变为飞机前进的推进功的程度。,每千克空气通过发动机时每秒钟所做的推进功为：,排出气体的动能，,可用功,推进效率,2023/2/4,航空发动机原理,35,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.1 概述,发动机的推力：发动机内外气体在各个表面上作用力的合力。,8%,200%,20%,110%,18%,228%,128%,100%,2023/2/4,航空发动机原理,36,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.1 概述,解决：将发动机看成一个整体，通过计算发动机进口出口气流动量的变化来确定发动机推力！,计算各部件的轴向力合力法来计算发动机的推力 困难发动机各部件形状复杂，无法确切知道部件表面各处的气体压力和粘力！,2023/2/4,航空发动机原理,37,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,计算假设：流量系数；发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力；气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。,2023/2/4,航空发动机原理,38,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,计算Fin,根据动量定理：,，,计算Fout,2023/2/4,航空发动机原理,39,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.2 发动机推力公式的推导,2023/2/4,航空发动机原理,40,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.3 用气动函数表示的推力公式的推导,发动机在地面工作时，C0=0,多数情况，尾喷管处于临界状态，,2023/2/4,航空发动机原理,41,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,表征实际工作中，考虑各种摩擦后的发动机实际推力。,发动机的各种阻力,发动机的内推力（计算推力）,附加阻力,波阻,外表摩擦阻力,时，应按照截面1来计算。,2023/2/4,航空发动机原理,42,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,附加阻力,计算假设1：流量系数；,实际情况：流量系数；亚音速飞行时，C0C1时，C0C1时，超音速飞行时，取决于进气道前面的激波状态。,由于按照截面0计算，误将发动机前方的气流流管壁当成进气道的一部分而计算其受到的向前的轴向力，这部分多算进去的推力即附件阻力。,2023/2/4,航空发动机原理,43,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,波阻,计算假设2：发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力；,实际情况：亚音速飞行时，差别不大；超音速飞行时，由于发动机短舱外存在激波，使得发动机表面压力大于大气压力，这部分压差 在发动机轴向投影的总和即为发动机的波阻。波阻大小与飞机的飞行速度、发动机短舱外形、发动机安装情况、尾喷管喷出的高速燃气流的干扰都有很大关系，需要实验方法确定。,2023/2/4,航空发动机原理,44,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,外表摩擦阻力,计算假设3：气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。,实际情况：发动机短舱外表面存在摩擦阻力；大小与发动机短舱的外形及飞行马赫数和雷诺数有关，需要用实验方法确定。,2023/2/4,航空发动机原理,45,2.2 涡喷发动机推力的计算,2.2.4 有效推力Fef,发动机外部阻力与发动机短舱的形状、发动机在飞机的安装位置以及飞行条件密切相关，在不涉及某一架具体飞机而单独讨论发动机的推力时，不考虑这些阻力！,2023/2/4,航空发动机原理,46,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2023/2/4,航空发动机原理,47,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2023/2/4,航空发动机原理,48,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.1 基本单位参数,2023/2/4,航空发动机原理,49,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2023/2/4,航空发动机原理,50,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2023/2/4,航空发动机原理,51,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2023/2/4,航空发动机原理,52,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.2 发动机的总效率和耗油率的关系,2023/2/4,航空发动机原理,53,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.3 发动机的内效率和推进效率,2023/2/4,航空发动机原理,54,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.3 发动机的内效率和推进效率,2023/2/4,航空发动机原理,55,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.3 发动机的内效率和推进效率,2023/2/4,航空发动机原理,56,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.3 发动机的内效率和推进效率,2023/2/4,航空发动机原理,57,2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率,2.3.3 发动机的内效率和推进效率,