航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理

第一章

航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理第一章

航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理第一節(jié)渦輪噴氣發(fā)動機熱力循環(huán)第二節(jié)推力公式第三節(jié)性能指標和基本要求第四節(jié)能量轉(zhuǎn)換與效率第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日2第二節(jié)推力公式一、有效推力及推力分布發(fā)動機提供的推進飛機向前運動的力，其大小等于流經(jīng)發(fā)動機內(nèi)、外的氣流對發(fā)動機各部件表面反作用力的軸向合力，用“Feff”表示。提供推動力的作用：(1)克服飛行阻力(2)飛機達到一定速度機翼產(chǎn)生升力(3)矢量推力俯仰（偏航）力矩推力分布2023年2月6日3二、推力公式推導取發(fā)動機單獨安裝于短艙的安裝形式遠前方為“0”截面短艙進口為“01”截面尾噴管出口為“9”截面2023年2月6日4二、推力公式推導氣流流經(jīng)發(fā)動機內(nèi)、外所產(chǎn)生的反作用力：Fout：氣流作用于短艙外表面的軸向合力Fin：發(fā)動機內(nèi)各部件所受氣流反作用力的軸向合力2023年2月6日5二、推力公式推導FoutdA

—短艙外表面微元面積在垂直于軸向方向上的投影；Xf—摩擦阻力因與飛行方向相反，故均為負。2023年2月6日6二、推力公式推導Fin動量定理：控制體進、出口氣流動量變化＝全部軸向力的合力控制體包括：短艙包含的氣流和進氣道前方一段擴張管流。2023年2月6日7二、推力公式推導Feff2023年2月6日8二、推力公式推導Feff2023年2月6日9推力阻力附加阻力壓差阻力摩擦阻力二、推力公式推導推力附加阻力壓差阻力摩擦阻力2023年2月6日10二、推力公式推導Feff與F對于亞音速飛機，由于發(fā)動機對氣流擾動較小,可以近似認為:Feff

F對于超音速飛機在超音速飛行時激波的出現(xiàn)，F(xiàn)effF三項損失不容忽視!2023年2月6日11二、推力公式推導Feff與F安裝位置飛機機體設計必須與發(fā)動機工作相匹配，以減小安裝損失。2023年2月6日12安裝推力非安裝推力安裝損失二、推力公式推導推力2023年2月6日13發(fā)動機推力＝空氣流量進排氣速度差第一章

航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理第一節(jié)渦輪噴氣發(fā)動機熱力循環(huán)第二節(jié)推力公式第三節(jié)性能指標和基本要求第四節(jié)能量轉(zhuǎn)換與效率第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日14第三節(jié)性能指標和基本要求一、性能指標1、推力單位：N、daN、kgf2023年2月6日15一、性能指標1、推力（動量變化）空氣：燃油：大涵道比（民用）渦扇

燃油/空氣幾/‰小涵道比（軍用）渦扇燃油/空氣幾/%2023年2月6日16排出燃氣流量排出進口空氣流量一、性能指標1、推力（壓力變化）2023年2月6日17一、性能指標1、推力推力：尾噴管完全膨脹：p9=p0忽略進出口流量差異qmg=qma2023年2月6日18一、性能指標1、推力如果v0=0，則為地面臺架試驗 F119

qma=125kg/s v9=1200m/s F=150000N2023年2月6日19一、性能指標示例：進行發(fā)動機地面臺架試車，其中發(fā)動機進口流量100kg/s，進口速度120m/s，排氣速度800m/s，尾噴管完全膨脹，則發(fā)動機產(chǎn)生的推力是多少？A 68000NB 80000N2023年2月6日20一、性能指標1、推力發(fā)動機推力大小僅僅反映飛機的推力需求，不能反映不同推力級發(fā)動機之間的性能優(yōu)劣例如:GE90(BY777)F=392000N,qma=1420kg/sD=3.524mwp-11(無人機)F=8500N,qma=13kg/sD=0.3m2023年2月6日21一、性能指標2、單位推力單位：N·s/kg每秒鐘流過發(fā)動機的每公斤空氣產(chǎn)生的推力.忽略進出口流量變化，完全膨脹：又進行地面臺架試驗：2023年2月6日22一、性能指標2、單位推力大涵道比民用渦扇：300高性能小涵道比軍用渦扇：700-1200單位推力越大，迎頭面積越小。2023年2月6日23一、性能指標3、推重比 FW=F/W無量綱量綜合性指標：反映氣動熱力循環(huán)的設計水平（如高單位推力），反映結(jié)構(gòu)設計水平。統(tǒng)計：W增加1kg導致飛機重量增加2.5kg。2023年2月6日24一、性能指標3、推重比J47 3F100 8 F119 10 飛機推重比將直接影響飛機性能（最大平飛速度、升限、有效載荷和機動性、作戰(zhàn)半徑等）先進戰(zhàn)斗機推重比1.1～1.152023年2月6日25一、性能指標4、單位迎面推力 FA=F/A單位：N/m2發(fā)動機短艙安裝，其迎面面積的大小，決定了發(fā)動機外部阻力大小。渦噴發(fā)動機FA

約為80-100kN/m22023年2月6日26一、性能指標5、耗油率單位：kg/h·N或kg/h·daN產(chǎn)生1牛頓推力每1小時消耗的燃油量經(jīng)濟性指標2023年2月6日27油氣比一、性能指標示例：F119發(fā)動機qmf=7.2kg/s（每小時耗油25920kg）推力≈150000N耗油率：0.173kg/h·N2023年2月6日28一、性能指標小結(jié)1、推力F2、單位推力Fs3、推重比Fw4、單位迎面推力FA5、耗油率sfc2023年2月6日29二、使用性能要求1.起動迅速可靠(地面、空中）

t=(30-60s)2.加、減速性能好指發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速增加或減小，使發(fā)動機推力迅速加大或減小的能力。

t=(5-15s)2023年2月6日30二、使用性能要求3.工作穩(wěn)定、可靠性好使用中避免發(fā)生：熄火、超溫、超轉(zhuǎn)、喘振等結(jié)構(gòu)完整性安全可靠事故率：發(fā)動機故障引起飛行事故次數(shù)/10萬小時空中停車率：空中停車次數(shù)/工作千小時（IFSD）返修率（ShopVisitRatio/1000hr）平均無故障時間(MeaningTimeBetweenFaults)2023年2月6日31二、使用性能要求4.壽命長兩次返修之間發(fā)動機工作小時數(shù)軍用:100-400小時民用:上千-上萬小時5.其他

可維修性、低成本、低排放污染、低噪音等2023年2月6日32三、基本要求高推重比（高單位推力）低耗油率高穩(wěn)定可靠性低成本低污染2023年2月6日33第一章

航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理第一節(jié)渦輪噴氣發(fā)動機熱力循環(huán)第二節(jié)推力公式第三節(jié)性能指標和基本要求第四節(jié)能量轉(zhuǎn)換與效率第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日34第四節(jié)能量轉(zhuǎn)換與效率一、能量轉(zhuǎn)換航空發(fā)動機是（熱機+推進器）的組合體熱機熱能機械能

熱效率推進器機械能推進功

推進效率組合體熱能機械能推進功

總效率2023年2月6日35二、熱效率2023年2月6日36三、推進效率單位時間發(fā)動機對飛機所做推進功發(fā)動機每公斤工質(zhì)單位時間對飛機所作推進功推進效率定義：2023年2月6日37三、推進效率兩種極端情況當V0=0時，

p=0當V9=V0時，p=1（但Fs=V9

－V0＝0）

V9V00p1（0.5~0.75）有效功推進功的轉(zhuǎn)換必有“損失”2023年2月6日38三、推進效率損失=有效功推進功=絕對坐標系中氣流以絕對速度(V9

V0)排出發(fā)動機所帶走的能量，稱為“余速損失”若V0=0，則全部可用能以動能的形式損失在空間，不產(chǎn)生推進功。2023年2月6日39三、推進效率思考題發(fā)動機做地面臺架試驗，F(xiàn)=10000N，V9=500m/s，推進功和效率分別是多少？V0=0，推進功=0，推進效率=02023年2月6日40四、總效率發(fā)動機作為“熱機+推進器”的效率。經(jīng)濟性指標，0.2~0.3提高總效率途徑1、提高熱效率，改善循環(huán)參數(shù)（提高、，高效率部件）2、提高推進效率（減少V9

－V0）2023年2月6日41四、總效率總效率與耗油率的關系飛行速度一定時，總效率與耗油率成反比飛行速度變化時，只能用總效率表示經(jīng)濟性飛行速度為零時，只能用耗油率表示經(jīng)濟性2023年2月6日42四、總效率2023年2月6日43對于渦噴發(fā)動機存在矛盾渦噴發(fā)動機將熱力循環(huán)獲得的機械能全部轉(zhuǎn)換為氣體的動能增量，進、排氣速度差大，可提高熱效率和增加推力但排氣速度差大，推進效率低，總效率低經(jīng)濟性差，耗油率高能否在不降低發(fā)動機熱效率的條件下，提高推進效率，改善低速飛行條件下的總效率降低耗油率？其他類型發(fā)動機四、總效率作業(yè)：V0=300m/s,V9=600m/s,qma=100kg/s,qmf=1kg/s，Hu=42900kJ/kg，求th

、p

、0

。2023年2月6日44第一章

航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理第一節(jié)渦輪噴氣發(fā)動機熱力循環(huán)第二節(jié)推力公式第三節(jié)性能指標和基本要求第四節(jié)能量轉(zhuǎn)換與效率第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日45第五節(jié)發(fā)展方向要求：高單位推力、低耗油率單位推力、耗油率與熱力循環(huán)關系2023年2月6日46第五節(jié)發(fā)展方向提高加熱比（即T3*），可有效提高循環(huán)功，因此提高單位推力，但同時使耗油率增加；提高壓氣機增壓比k，可提高熱效率，降低耗油率，但導致單位推力下降；為獲得高單位推力和低耗油率，隨T3*的提高，相應提高壓氣機增壓比2023年2月6日47第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日48典型亞音速飛機發(fā)動機第五節(jié)發(fā)展方向2023年2月6日49典型軍用發(fā)動機第一章小結(jié)推力的產(chǎn)生及推力公式性能指標熱力循環(huán)及循環(huán)分析結(jié)果循環(huán)功、熱效率與循環(huán)增壓比、加熱比的關系三個效率（th、p、0

）的定義、能量轉(zhuǎn)換、損失發(fā)動機的發(fā)展方向為提高發(fā)動機推重比（單位推力），提高燃燒室出口溫度T3*為降低耗油率，提高壓氣機增壓比k*作業(yè)1、發(fā)動機推力與有效推力存