第二部分 航空燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理.ppt

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,課時(shí)安排：56學(xué)時(shí) 民用航空系 劉磊 辦公室：A1S-311,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,2,緒論 航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展回顧與展望 第11章 第一部分 熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 第1章 第二部分 航空燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理 第2章 第三部分 發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作特性 第3,4章 第四部分 典型發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性 第5,6,7,8,9章 第五部分 其他發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)簡介 第10章,課程結(jié)構(gòu),2020/8/17,2,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,3, 2.1 航空燃?xì)廨啓C(jī)工作原理 2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖 2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán) 2.1.3 雙軸式結(jié)構(gòu)的燃?xì)獍l(fā)生器

2、2.1.4 核心機(jī) 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算 2.3 航空燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)及效率,第二部分航空燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理,2020/8/17,3,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,4,發(fā)動(dòng)機(jī)組成,2.1 航空燃?xì)廨啓C(jī)工作原理,2020/8/17,4,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,5,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,6,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,7,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,8,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,9,

3、2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,10,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,11,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,12,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,13,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,14,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,15,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,16,2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成及簡圖,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,17,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的

4、理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),燃?xì)獍l(fā)生器是各類燃?xì)廨啓C(jī)的熱機(jī)部分， 包括壓氣機(jī)、燃燒室和帶動(dòng)壓氣機(jī)的那部分渦輪。 原理：利用工質(zhì)重復(fù)地進(jìn)行某些工作過程同時(shí)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(gè)工作過程沒有流動(dòng)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(jī)械損失。,2.1 航空燃?xì)廨啓C(jī)工作原理,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,18,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),1. 理想循環(huán),p,V,0,0,2,1,3,4,2,1,3,4,p-V,T,S,T-S,1-2 絕熱壓縮 2-3 等壓加熱 3-4 絕

5、熱膨脹 4-1 等壓放熱,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,19,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),1. 理想循環(huán),（1）衡量燃?xì)獍l(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?xì)廨啓C(jī)循環(huán)工作狀態(tài)的參數(shù) 增壓比 ：壓氣機(jī)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?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,能量方程式,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,20,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,絕熱壓縮過程 12,p,V,0,2,1,3,4,p-V

6、,整個(gè)過程吸熱為0； 兩個(gè)階段： 11 迎面高速氣流在進(jìn)氣道中的絕能流動(dòng)，使工質(zhì)減速增； 壓； 11 壓氣機(jī)對(duì)工質(zhì)做功。 總機(jī)械功：,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,21,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等壓加熱過程 12,在燃燒室內(nèi)完成； 工質(zhì)所做的機(jī)械功為0： 工質(zhì)吸熱量：,為 循環(huán)的加熱比,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,22,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,絕熱膨脹過程 34,整個(gè)過程吸熱為0； 兩個(gè)階段： 33 在渦輪中完成，

7、渦輪從工質(zhì)中獲得的機(jī)械功為： 34 在尾噴管或動(dòng)力渦輪中完成，單位工質(zhì)所做的功為。 總機(jī)械功：,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,23,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,p,V,0,2,1,3,4,p-V,等壓放熱過程 41,整個(gè)過程是向大氣放熱； 機(jī)械功為0： 總放熱量為：,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,24,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,比功,熱效率,或,吸熱量,放熱量,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,25,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),（3）理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析,分析： 增壓比 ，加

8、熱比 和 吸熱量 ，比功 ，熱效率 之間的關(guān)系,理想燃?xì)廨啓C(jī)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(gè)使比功達(dá)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),2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,26,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),2. 實(shí)際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,在壓縮和膨脹兩個(gè)絕熱過程中，由于存在流動(dòng)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

9、總的膨脹過程，而燃燒過程仍可看做等壓加熱過程。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,27,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),2. 實(shí)際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,表明壓縮過程流動(dòng)損失：,絕熱壓縮效率,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,28,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),2. 實(shí)際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,表明膨脹過程流動(dòng)損失：,絕熱膨脹效率,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,29,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理

10、想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),2. 實(shí)際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,總壓縮過程中，外界對(duì)單位工質(zhì)做功：,總膨脹過程中，單位工質(zhì)對(duì)外界做功：,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,30,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),2. 實(shí)際循環(huán),p,2,1,3,4,1-2 多變壓縮n k 2-3 等壓加熱 3-4 多變膨脹nk 4-1 等壓放熱,實(shí)際循環(huán)的比功,實(shí)際循環(huán)的熱效率：,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,31,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)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

11、,實(shí)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(shí)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(gè)極限值，使熱效率達(dá)極大值的增壓比為最經(jīng)濟(jì)增壓比，記為 在加熱比 一定得條件下，有一個(gè)使比功達(dá)最大值的增壓比，稱為最佳增壓比，記為 ， 在實(shí)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(duì)減小，因此，加熱比 越大， 越大， ， 越高。,2. 實(shí)際循環(huán),2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,32,2.1.2 燃?xì)獍l(fā)生器的理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán),設(shè)計(jì)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(jì)燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，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

12、的情況下， 增壓比=最佳增壓比時(shí)，比功最大； 增壓比=最經(jīng)濟(jì)增壓比時(shí)，熱效率最高； 因此，為了降低燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率同時(shí)又能輸出較大的功率，設(shè)計(jì)增壓比一般大于最佳增壓比低于最經(jīng)濟(jì)增壓比。,2. 實(shí)際循環(huán),2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,33,2.1.3 雙軸式結(jié)構(gòu)的燃?xì)獍l(fā)生器,雙軸式結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使壓氣機(jī)在更廣闊的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，是 壓氣機(jī)防喘的有效措施之一； 在低轉(zhuǎn)速下具有較高的壓氣機(jī)效率，因此可以使燃?xì)獍l(fā)生器在較低的渦輪前溫度下工作。由于渦輪前燃?xì)鉁囟容^低而且壓氣機(jī)不易產(chǎn)生喘振，在加速時(shí)可以噴人更多的燃油，使雙軸燃?xì)廨啓C(jī)具有良好加速性能； 由于雙軸燃?xì)獍l(fā)生器在非設(shè)計(jì)工況下具有較高的壓氣機(jī)

13、效率，因此在非設(shè)計(jì)工況下的耗油率比單軸的低； 雙軸的起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)只需要帶動(dòng)一個(gè)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(dòng)機(jī)。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,34,2.1.4 核心機(jī),1. 單軸燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)和渦輪 2. 雙軸燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪,核心機(jī),燃?xì)獍l(fā)生器,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,35, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.1 概述,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣體在各個(gè)表面上作用力的合力。,8%,200%,20%,110%,18%,228%,128%,100%,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,36, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.1 概述,

14、解決：將發(fā)動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，通過計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口出口氣流動(dòng)量的變化來確定發(fā)動(dòng)機(jī)推力！,計(jì)算各部件的軸向力合力法來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的推力 困難 發(fā)動(dòng)機(jī)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！,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,37, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力公式的推導(dǎo),計(jì)算假設(shè)： 流量系數(shù) ； 發(fā)動(dòng)機(jī)表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力 ； 氣體流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外表面時(shí)，沒有摩擦阻力。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,38, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力公式的推導(dǎo),計(jì)算Fin,根據(jù)動(dòng)量定理：,，,計(jì)算Fout,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)

15、機(jī)原理,39, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力公式的推導(dǎo),2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,40, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.3 用氣動(dòng)函數(shù)表示的推力公式的推導(dǎo),發(fā)動(dòng)機(jī)在地面工作時(shí)，C0=0,多數(shù)情況，尾噴管處于臨界狀態(tài)，,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,41, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.4 有效推力Fef,表征實(shí)際工作中，考慮各種摩擦后的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際推力。,發(fā)動(dòng)機(jī)的各種阻力,發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)推力（計(jì)算推力）,附加阻力,波阻,外表摩擦阻力,時(shí)，應(yīng)按照截面1來計(jì)算。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,42, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.4

16、有效推力Fef,附加阻力,計(jì)算假設(shè)1：流量系數(shù) ；,實(shí)際情況：流量系數(shù) ； 亞音速飛行時(shí)， C0C1時(shí)， C0C1時(shí)， 超音速飛行時(shí)，取決于進(jìn)氣道前面的激波狀態(tài)。,由于按照截面0計(jì)算，誤將發(fā)動(dòng)機(jī)前方的氣流流管壁當(dāng)成進(jìn)氣道的一部分而計(jì)算其受到的向前的軸向力，這部分多算進(jìn)去的推力即附件阻力。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,43, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.4 有效推力Fef,波阻,計(jì)算假設(shè)2：發(fā)動(dòng)機(jī)表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力 ；,實(shí)際情況： 亞音速飛行時(shí)，差別不大； 超音速飛行時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外存在激波，使得發(fā)動(dòng)機(jī)表面壓力大于大氣壓力 ，這部分壓差 在發(fā)動(dòng)機(jī)軸向投影的總和

17、即為發(fā)動(dòng)機(jī)的波阻 。 波阻大小與飛機(jī)的飛行速度、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外形、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝情況、尾噴管噴出的高速燃?xì)饬鞯母蓴_都有很大關(guān)系，需要實(shí)驗(yàn)方法確定。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,44, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.4 有效推力Fef,外表摩擦阻力,計(jì)算假設(shè)3：氣體流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外表面時(shí)，沒有摩擦阻力。,實(shí)際情況： 發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外表面存在摩擦阻力 ； 大小與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的外形及飛行馬赫數(shù)和雷諾數(shù)有關(guān)，需要用實(shí)驗(yàn)方法確定。,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,45, 2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算,2.2.4 有效推力Fef,發(fā)動(dòng)機(jī)外部阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的形狀、發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)的安裝位置以及飛行條件密切

18、相關(guān)，在不涉及某一架具體飛機(jī)而單獨(dú)討論發(fā)動(dòng)機(jī)的推力時(shí)，不考慮這些阻力！,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,46,2.3 推進(jìn)器部分,1. 不同推進(jìn)器的推力,推進(jìn)器包括：尾噴管、螺旋槳、風(fēng)扇和噴管等。 通過燃?xì)獍l(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,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,47,2.3 推進(jìn)器部分,2. 發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率,推進(jìn)效率：衡量可用功轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機(jī)前進(jìn)的推進(jìn)功的程度。,每千克空氣通過發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)每秒鐘所做的推進(jìn)功為：,排出氣體的動(dòng)能，,可用功,推進(jìn)效率,2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,48, 2.4 航空燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)及效率,2.4.1 基本單位參數(shù),2020/8/17,航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理,49, 2.4 航空燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)及效率,2.4.1