航發(fā)原理第三章

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)

第三章渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)繁雜的過程，需考慮應(yīng)用對象、重量、成本、體積、壽命及噪音等諸多限制因

素，需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)下的一些參數(shù)優(yōu)化選擇，繼而進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能將取決于設(shè)計(jì)狀態(tài)下各部件的熱力過程。本章將介紹發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作過程參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)單位性能參數(shù)的影響及設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方

法。

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渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要單位性能參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的兩個(gè)單位性能參數(shù)：

1.單位推力定義：Fs=F/qm;2.單位燃油定義：耗油率sfc=3600qmf/F。

發(fā)動(dòng)機(jī)推力F尋常由用戶給定，提高Fs可降低流量qm,這意味著將減少發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和最大迎風(fēng)面積，因此該參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能影響十分重要。如假定尾噴管完全膨脹(p9=p0),且忽略燃?xì)馀c空氣流量的區(qū)別，即qm=qmg,則有單位推力：Fs=V9-V0

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發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作過程參數(shù)概念在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，用來描述氣流沿程滾動(dòng)狀態(tài)變化的參數(shù),如P0、P1、pc、T0、

T1、T3*…..等參數(shù)稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程參數(shù)。

其中壓氣機(jī)壓比pc和渦輪前溫度T3*是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作參數(shù)，也是設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇的

重要參數(shù)。

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工作參數(shù)對單位性能的影響首先研究一下循環(huán)功。若把壓氣機(jī)和進(jìn)氣道作為一個(gè)總的壓縮過程，則每千克氣體輸入功為：

WcCp(T2*T0)CpT0(p

1

1)/hc

其中：hc為壓縮過程的總效率，p=P2*/P0為總增壓比。若把渦輪和尾噴管作為一個(gè)總的膨脹過程(不計(jì)燃燒引起的總壓損失),則每千克氣體輸出功：''*WpCp(T3*T9)CpT3(11p

'1'

)hp

其中hp為膨脹過程的總效率。

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循環(huán)功與工作過程參數(shù)之間的關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功代表發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用的能量(可用能量),可以表示為：

W循環(huán)功

11'*WpWcCpT31'1hpCpT0p1hc'p',T3*T0,Cp(11

若取：ep

1

p

1'

'

)Cp(11

p

1

)

e1ahchp則循環(huán)功：W循環(huán)功CpT0(1)hce

(1)

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循環(huán)功影響參數(shù)分析e1ahchpW循環(huán)功CpT0(1)hce影響發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功W的主要參數(shù)是壓比p、溫比,=1.02-1.04。從方程中可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)功同加熱比成正比變化

關(guān)系。在環(huán)境溫度T0一定的條件下，渦輪前溫度T3*越高，循環(huán)功越大。但在溫比一定時(shí)，循環(huán)功隨壓

比p并非單調(diào)變化，存在最正確壓比popt使循環(huán)功最大。

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單位推力影響參數(shù)分析單位推力：Fs=V9-V0循環(huán)功：W循環(huán)功=(V92-V02)/2,可

得：

Fs2W循環(huán)功VV020

將循環(huán)功W的公式代入上式可得：

e1ahchp2Fs2CpT0(1)V0V0hce

(2)

由方程(2)可得，在飛行條件一定(高度H,飛行速度V0)的狀況下，影響單位推力Fs的主要工作參數(shù)有：壓比p和溫比。

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耗油率影響參數(shù)分析由耗油率的定義可得：sfc=3600*qmf/F=3500*q0/(xbHuFs)。q0為燃燒室每千克流體獲得的熱量，xb為燃燒室的完全燃燒系數(shù)。由于壓縮功：Wc=Cp(T2*-T0)=CpT0(e-1)/hc,可得：T2*=T0((e-1)/hc+1)

代入q0=Cp(T3*-T2*)的表達(dá)式中，可得：q0=CpT0(-(e-1)/hc-1)則耗油率：

sfc

3600CpT0HuxbFs

((e1)hc1)

(3)

由方程可得，影響耗油率sfc的主要工作參數(shù)是壓比p和溫比。

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總壓比對單位性能的影響由上面分析可見，影響發(fā)動(dòng)機(jī)單位性能參數(shù)Fs和sfc的主要工作過程參數(shù)是壓比p和溫比=T3*/T0,下面分析一下它們

對單位性能參數(shù)的影響特點(diǎn)。1)在加熱比=T3*/T0一定，改變壓比p存在一最正確壓比popt使單位推力Fsmax和循環(huán)功Wmax同時(shí)最大。注意到：在溫比一定時(shí)，燃燒

室加給每千克氣體的熱量q0隨著壓比p的增加總是單調(diào)減小。增壓比對單位性能的影響

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最正確壓比和最經(jīng)濟(jì)壓比分析過程：令可得：ahchpdFsCpT0(1)02dee

eoptahchp

或

popt(ahchp)

2(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)中1,hc=1,hp=1,而實(shí)際循環(huán)中(hchp)總是小于1.0的，因此實(shí)際循環(huán)的最正確壓比總是小于理想循環(huán)下的最正確壓比。壓縮和膨脹過程中的損失愈小，乘積hchp愈大，實(shí)際最正確增壓比愈接近理想循環(huán)的最正確增壓比，最正確單位推力也越大。同理，存在最正確經(jīng)濟(jì)壓比：pecpopt,使耗油率sfc達(dá)到最小。

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渦輪前溫度對單位性能的影響在給定壓比p條件下，改變渦輪前溫度，即溫比=T3*/T0。由前面推導(dǎo)的方程(1)、(2)及(3)得：e1ahchpe1ahchp(1)V02V0WCpT0(1)Fs2CpT0hcehcesfc'3600Cp

HuxbFs

T0(

e1

hc

1)

加熱比的增加總是使得循環(huán)功和單位推力上升，耗油率相對繁雜些，但存在某個(gè)使循環(huán)功等于零即單位推力等于零、耗油率趨于無窮大的最小溫比min=e/hchp,對應(yīng)有最小T3*min=T2*/(hchp),加進(jìn)的熱量僅用于平衡渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)中的氣動(dòng)損耗，維持壓氣機(jī)-渦輪自轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)無可用能量。

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最經(jīng)濟(jì)渦輪前溫度

1.當(dāng)T3*=T3*min時(shí)，沒有循環(huán)功，發(fā)動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生任何推力；2.當(dāng)T3*T3*min時(shí)，循環(huán)功W對T3*是線性增長的，單位推力Fs按

指數(shù)增長，而耗油率sfc存在一最經(jīng)濟(jì)T3*ec使sfc達(dá)到最小。

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壓比和渦輪前燃?xì)鉁囟葘Πl(fā)動(dòng)機(jī)單位性能參數(shù)的影

響總結(jié)1.在溫比=T3*/T0一定的狀況下，最正確壓比popt為一定值。2.提高T3*,單位推力Fs上升，隨著T3*的提高，最正確壓比popt也隨之增高。

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發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇依據(jù)

1.單位推力隨渦輪前溫度上升而增加，提高渦輪前溫度可以使發(fā)動(dòng)機(jī)做得更小、更輕，這對機(jī)動(dòng)飛行是有好處的，但耗油率在上升；2.存在最正確壓比使單位推力最大且隨渦輪前溫度提高而增加；3.存在最經(jīng)濟(jì)壓比使sfc最小，但壓比很高難以實(shí)現(xiàn)。參數(shù)選擇應(yīng)考慮應(yīng)用對象、材料、工藝及成本，無優(yōu)化結(jié)果。

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渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力計(jì)算1、熱力計(jì)算的目的和原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

目的：根據(jù)推力要求，通過熱力計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)所需流量及主要部件性能參數(shù)，作為部件設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)?？紤]地面臺(tái)架試車檢驗(yàn)便利，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇一般定在海平面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

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設(shè)計(jì)點(diǎn)簡單循環(huán)氣動(dòng)熱力計(jì)算原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備指飛機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，包括飛行速度、高度、推力及單位燃油消耗量以及發(fā)動(dòng)機(jī)的大小尺寸和重量。此外，熱力計(jì)算前還需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定以下數(shù)據(jù)：

1.壓氣機(jī)增壓比pk*和渦輪前溫度T3*;2.壓氣機(jī)效率hk*、渦輪效率ht*、燃燒效率hb以及機(jī)械傳動(dòng)效率hm;

3.進(jìn)排氣、燃燒室的氣動(dòng)總壓損失si、se及sb;4.冷卻空氣流量col=qmcol/qm,氣體回到發(fā)動(dòng)機(jī)流量r=qmr/qm;5.燃油的低熱值Hu。

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熱力計(jì)算方法已知：飛行高度、速度，選擇pk*、T3*及假定各主要部件的氣動(dòng)損失參數(shù)。

求：發(fā)動(dòng)機(jī)各特征截面氣流參數(shù)及單位推力Fs和燃油消耗率sfc。(1)、進(jìn)氣道出口參數(shù)：由飛行狀態(tài)可知T0,P0及M0,計(jì)算得：

TT0(1*0

12

M)

20

Psi(1*1

12

21M0)

在忽略進(jìn)氣道與外界熱交換的狀況下，則有T1*=T0*

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(2)