燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)09-渦扇

1、可編輯ppt,1,第9章,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),可編輯ppt,2,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),什么是渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)? 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)是雙通道多轉(zhuǎn)子的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。由進(jìn)氣道,風(fēng)扇,低壓壓氣機(jī),高壓壓氣機(jī),燃燒室,高壓渦輪,低壓渦輪和噴管組成。與純渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比,渦扇發(fā)動(dòng)的進(jìn)氣量大,噴氣速度低,所以它的推力大,推進(jìn)效率高,噪音低,可編輯ppt,3,可編輯ppt,4,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),9.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 9.1.1 工作原理 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是由進(jìn)氣道，風(fēng)扇，低壓壓氣機(jī)，高壓壓氣機(jī)，燃燒室，高壓渦輪,低壓渦輪和噴管組成。 低壓轉(zhuǎn)子由風(fēng)扇，低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪組成。 高壓轉(zhuǎn)子由高壓壓氣機(jī)

2、和高壓渦輪組成。 風(fēng)扇的增壓比一般在1.6-1.8的范圍內(nèi),如V2500 為1.7;PW2000為1.6-1.7; PW4000為1.66-1.76 低壓壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)較少,屬于低增壓比的壓氣機(jī),如CFM56為3級(jí);V2500 為4級(jí);JT9D為3級(jí)；PW2000為4級(jí); PW4000為4級(jí)。 高壓壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)較多,屬于高增壓比的壓氣機(jī),如CFM56為9級(jí);V2500 為10級(jí);JT9D為11級(jí)；PW2000為12級(jí); PW4000為11級(jí),可編輯ppt,5,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),9.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 涵道比：外涵流量與內(nèi)涵流量的比值。 目前民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比在1-5的范

3、圍內(nèi)， 如：JT8D-217 為1 .73； JT9D-7R4E 為5 .10； PW4000 為5 .00； RB211-535E4 為4 .3 CFM56-3/3C 為5 .0,可編輯ppt,6,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),9.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣從內(nèi)外兩路流過發(fā)動(dòng)機(jī)即外界空氣通過進(jìn)氣道，由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片作功進(jìn)行壓縮，而后空氣分為兩路： 內(nèi)路的工作情形與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相同即通過低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的壓縮，提高了壓力，高壓空氣在燃燒室內(nèi)與燃油混合燃燒，形成高溫高壓的燃?xì)?，高溫高壓的燃?xì)馐紫仍诟邏簻u輪內(nèi)膨脹，輸出功去帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)；然后在低壓渦輪內(nèi)膨脹，輸出

4、功去帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇；最后通過噴管排如大氣，產(chǎn)生一定的推力； 流過外涵的空氣接著就膨脹并排入大氣也產(chǎn)生反作用推力,可編輯ppt,7,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),總推力由兩部分組成，一是內(nèi)涵產(chǎn)生的推力，二是外涵產(chǎn)生的推力。 在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中外涵產(chǎn)生的推力與總推力之比與涵道比有關(guān)，涵道比越大，外涵產(chǎn)生的推力占總推力的比例越大。 對(duì)于涵道比為4的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵所產(chǎn)生的推力約占總推力的80,可編輯ppt,8,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 特點(diǎn),9.1.2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 一、推進(jìn)效率 發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)功率與通過發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體單位時(shí)間的動(dòng)能增量之比。 發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率取決于噴氣速度和飛行速度的比值。這個(gè)比值越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的推

5、進(jìn)效率越低，這個(gè)比值越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率越高。 在飛行速度相同的情況下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率大于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。這正是高亞音速飛機(jī)使用高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。 當(dāng)排氣速度等于飛行速度的2倍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率約等于67,可編輯ppt,9,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 特點(diǎn),二、推進(jìn)效率與推力的關(guān)系 涵道比越大，排氣速度越低，則推進(jìn)效率越高，推力越大 在飛行速度和動(dòng)能增量相同的情況下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力 三、噪音低 噪音的強(qiáng)度與噴氣速度的次方成正比 四、在一定的飛行馬赫數(shù)范圍內(nèi)，燃油消耗率低。 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是: 風(fēng)扇直徑大，迎風(fēng)面積大，因而阻力大，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的

6、速度特性不如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是涵道比較高時(shí)，隨飛行速度的增大，推力很快下降，因此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)只適用于高亞音速內(nèi)飛行,可編輯ppt,10,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 工作原理及特點(diǎn),質(zhì)量附加原理： 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理都是以質(zhì)量附加原理為基礎(chǔ)的 作為熱機(jī)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)獲得一定的機(jī)械能之后，通過將這部分可用能的重新分配，將內(nèi)涵得到的一部分可用能通過低壓渦輪機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇傳遞給外涵，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的總空氣流量，降低其排氣速度，降低噪音，在一定的飛行速度范圍內(nèi)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，降低燃油消耗率,可編輯ppt,11,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 自由能的最佳分配,9.2. 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 自由能 從帶動(dòng)內(nèi)涵壓氣機(jī)(包括內(nèi)涵風(fēng)扇部分)的渦輪后參數(shù)完全膨

7、脹到大氣壓力的等熵膨脹功 。 自由能用來壓縮外涵空氣和增加內(nèi)涵燃?xì)獾膭?dòng)能。 最佳自由能分配 使渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率達(dá)到最大值的能量分配。 對(duì)于分別排氣的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在理想情況下，最佳自由能分配時(shí)外涵的噴氣速度等于內(nèi)涵的噴氣速度。 對(duì)于分別排氣的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在實(shí)際情況下，最佳自由能分配時(shí)外涵的噴氣速度稍小于內(nèi)涵的噴氣速度。 而在給定的飛行條件和最佳能量分配時(shí)風(fēng)扇的最佳增壓比隨涵道比的增加而減小,可編輯ppt,12,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 共同工作,9.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作 一、高壓轉(zhuǎn)子的共同工作 假定高壓渦輪和低壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器都處于臨界或超臨界狀態(tài),則高壓渦輪和高壓壓氣機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作的共同工

8、作和單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作完全類似。即， 轉(zhuǎn)速一致:高壓渦輪的轉(zhuǎn)速等于高壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速; 流量連續(xù):通過高壓渦輪的燃?xì)饬髁康扔诹鬟^高壓壓氣機(jī)的空氣流量; 壓力平衡:高壓渦輪進(jìn)口處的總壓等于高壓壓氣機(jī)出口處的總壓乘以燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù); 功率平衡:高壓渦輪輸出的功率等于高壓壓氣機(jī)所消耗的功率,可編輯ppt,13,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 共同工作,一、高壓轉(zhuǎn)子的共同工作 功率平衡為: 通過高壓渦輪的燃?xì)饬髁康扔诹鬟^高壓壓氣機(jī)的空氣流量的條件下，當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作時(shí)，高壓渦輪輸出的功等于高壓壓氣機(jī)所消耗的功,可編輯ppt,14,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 共同工作,在外界條件一定時(shí)，高壓渦輪功的大小受渦輪前燃

9、氣總溫，渦輪落壓比和渦輪效率三個(gè)因素的影響： 高壓渦輪的效率在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基本保持不變，只有在低轉(zhuǎn)速時(shí)才略有降低 在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，高壓渦輪導(dǎo)向器都處于臨界或超臨界狀態(tài)，這時(shí)高壓渦輪的落壓比保持不變，只有在很低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，高壓渦輪的落壓比才隨著轉(zhuǎn)速的降低而減小。所以，在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，高壓渦輪的效率和落壓比都保持不變， 這樣,高壓渦輪功就與高壓渦輪前燃?xì)饪倻氐臄?shù)值一一對(duì)應(yīng)，也就是說，有一個(gè)高壓渦輪前燃?xì)饪倻氐臄?shù)值，就有一個(gè)確定的渦輪功的數(shù)值與之對(duì)應(yīng),可編輯ppt,15,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 共同工作,于是，在某一轉(zhuǎn)速下，根據(jù)高壓壓氣機(jī)所消耗的功的大小，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)母邏簻u輪前燃?xì)饪倻?，就能使高?/p>

10、渦輪功等于高壓壓氣機(jī)功，以達(dá)到功的平衡。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，雖然高壓渦輪的效率和落壓比不再保持不變，但在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，它們?nèi)匀挥幸粋€(gè)一定的數(shù)值，同樣也可以根據(jù)高壓壓氣機(jī)功的大小，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)母邏簻u輪前燃?xì)饪倻?，達(dá)到功的平衡。而選擇高壓渦輪前燃?xì)饪倻氐姆椒ㄊ歉淖児┯土俊?由此可見，保持高壓轉(zhuǎn)子在某個(gè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作的辦法，就是通過調(diào)節(jié)供油量，控制高壓渦輪前燃?xì)饪倻?，使高壓渦輪功等于高壓壓氣機(jī)所消耗的功,可編輯ppt,16,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 共同工作,二、低壓轉(zhuǎn)子的共同工作 只要按高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供油量，控制高壓渦輪前的燃?xì)饪倻?，滿足高壓渦輪功與高壓壓氣機(jī)功相平衡，高壓轉(zhuǎn)子就穩(wěn)定在這個(gè)轉(zhuǎn)速下工作，這時(shí)低壓轉(zhuǎn)子

11、必然自動(dòng)地穩(wěn)定在一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作,可編輯ppt,17,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,9.4 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、飛行速度和飛行高度的變化規(guī)律 轉(zhuǎn)速特性 速度特性 高度特性,可編輯ppt,18,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,941影響推力和燃油消耗率的因素 一、影響推力的因素 流過內(nèi)涵的空氣流量、單位推力和涵道比 二、影響燃油消耗率的因素 油氣比、單位推力和涵道比三個(gè),可編輯ppt,19,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,9.4.2 轉(zhuǎn)速特性 在飛行速度和飛行高度保持不變的條件下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律 雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有高、

12、低兩個(gè)轉(zhuǎn)子，根據(jù)供油量是按照那個(gè)轉(zhuǎn)子的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的,就以那個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速作為研究轉(zhuǎn)速特性的基礎(chǔ)，我國民航所用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量都是按照高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的，故這里所說的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,可編輯ppt,21,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,一、涵道比隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律 通過內(nèi)涵的空氣流量與高壓壓氣機(jī)出口空氣的總壓成正比，而通過外涵的空氣流量與風(fēng)扇出口空氣的總壓成正比， 所以外涵的空氣流量只隨風(fēng)扇的增壓比的增大而增大，流量增加的少一些,而內(nèi)涵的空氣流量不僅隨風(fēng)扇的增壓比的增大而增大,還隨低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)增壓比的增大而增大，因而，流量增加的多一些，所以涵道比隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。如圖

13、所示,可編輯ppt,22,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,二、推力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律 推力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。 轉(zhuǎn)速增加時(shí)，高、低壓壓氣機(jī)的增壓比都增大，內(nèi)涵流量一直增加， 由于壓氣機(jī)增壓比的增大，使內(nèi)、外涵的噴氣速度不斷增大，單位推力也一直增大， 這兩個(gè)因素都會(huì)使推力增大， 如前所述，涵道比是隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，這一因素會(huì)使推力減小， 但空氣流量和單位推力的增加起主導(dǎo)作用，所以推力一直是增大的。 不過，在接近最大轉(zhuǎn)速時(shí)，受涵道比減小的影響，推力增加的比較緩慢,可編輯ppt,23,9.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)： 轉(zhuǎn)速 推力 燃油消耗率 。 原因：轉(zhuǎn)速 內(nèi)涵流量 F - 轉(zhuǎn)速 涵道比 F

14、- F 轉(zhuǎn)速 增壓比 p*2 p*3 p*4 V5 Fs Fs F 轉(zhuǎn)速 T*3 T*4 V5 Fs 高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)： 轉(zhuǎn)速 推力 原因：轉(zhuǎn)速 流量 F - 轉(zhuǎn)速 增壓比 p*2 p*3 p*4 V5 Fs Fs F F 轉(zhuǎn)速 T*3 T*4 V5 Fs 轉(zhuǎn)速 涵道比 F,可編輯ppt,24,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,三、燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律： 從慢車轉(zhuǎn)速到中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增大, 減小，單位推力增大，從而使燃油消耗率減小，但這時(shí)涵道比是減小的，從而使燃油消耗率增大，但由于前者起主要的作用，故在這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，同時(shí)減小的較快。 從高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)

15、速的增大，單位推力增大，使燃油消耗率減小，但這時(shí)由于 的增大和涵道比的減小，使燃油消耗率增大，兩方面影響的結(jié)果使燃油消耗率減小得越來越慢，到接近最大轉(zhuǎn)速時(shí)， 急劇增加，使燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速范的增加而增加,可編輯ppt,25,9.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)： 轉(zhuǎn)速 燃油消耗率 。 原因： 轉(zhuǎn)速 壓增比 p*2 p*3 p*4 V5 Fs sc 轉(zhuǎn)速 T*3 T*4 V5 Fs 轉(zhuǎn)速 涵道比 - sc 轉(zhuǎn)速 (T*3 - T*2 ) sc 高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)： 轉(zhuǎn)速 燃油消耗率 原因： 轉(zhuǎn)速 壓增比 p*2 p*3 p*4 V5 Fs sc 轉(zhuǎn)速 T*3 T*4 V5 Fs 轉(zhuǎn)速 涵道比 - sc

16、 轉(zhuǎn)速 (T*3 - T*2 ) sc 接近最大轉(zhuǎn)速時(shí) 轉(zhuǎn)速 燃油消耗率,可編輯ppt,26,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,9.4.3 高度特性 在飛行速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變的條件下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油消耗率隨飛行高度的變化規(guī)律 假設(shè)渦輪前溫度保持不變， 飛行高度升高時(shí)，空氣密度減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量一直減小。 在11000米以下,飛行高度升高時(shí)，大氣溫度降低，風(fēng)扇增壓比和內(nèi)涵壓氣機(jī)增壓比增加，使單位推力增大，涵道比減小； 在11000米以上，大氣溫度保持不變，單位推力和涵道比保持不變, 在上述影響推力的三個(gè)因素中，空氣流量一直占主導(dǎo)地位，所以，隨飛行高度的升高，推力一直減小,可編輯pp

17、t,27,9.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,對(duì)流層內(nèi) 飛行高度： 推力 燃油消耗率 。 原因： 高度 密度 空氣流量 推力 高度 涵道比 推力 高度 大氣溫度 好壓縮,增壓比 單位推力 sc 高度 涵道比 sc,可編輯ppt,28,9.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,同溫層： 飛行高度 推力 燃油消耗率 原因： 高度 密度 空氣流量 推力 高度 涵道比 推力 高度 大氣溫度不變 單位推力不變 sc不變 高度 涵道比 sc不變,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,9.4.4 速度特性 一、涵道比隨飛行速度的變化規(guī)律 隨著飛行速度的增大，涵道比在不斷地增大 單位推力隨飛行速度的增大而下降,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,三、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力隨飛行速度的變化規(guī)律 推力的變化取決于涵道比、空氣流量和單位推力 隨著飛行速度的增大單位推力下降，涵道比增大，空氣流量增大，但涵道比和空氣流量增大程度不如單位推力下降的程度大。所以隨飛行速度的增加推力將減小，特別是高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力隨飛行速度的增加推力一直是減小的，涵道比越大，推力下降的越快,可編輯