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1、飞机动力装置飞机动力装置第三部分：燃气涡轮发动机第三部分：燃气涡轮发动机刘 熊2021/9/151第一章第一章 航空燃气涡轮发动机概述航空燃气涡轮发动机概述 第一节第一节 航空燃气涡轮发动机简介航空燃气涡轮发动机简介2021/9/152燃气涡轮发动机的发展2021/9/1532021/9/1542021/9/1552021/9/1562021/9/1572021/9/1582021/9/159喷气发动机的分类发动机：将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能的装置喷气发动机：把燃料的化学能转化为发动机高速喷出燃气的动能，从而获得反作用力，推进飞行器飞行的发动机。2021/9/15102021/9/15
2、11（一）火箭发动机特点：自己携带燃料和氧化剂，靠燃烧压缩工质。分类：固体燃料、液体燃料、混合燃料2021/9/15122021/9/15132021/9/1514（二）空气喷气发动机空气喷气发动机：利用空气中的氧气与燃料进行混合燃烧，作为工质的动力装置。分类：无压气机的发动机 燃气涡轮发动机（有压气机的发动机）2021/9/15151、无压气机的发动机分类：冲压式发动机、脉冲式发动机。2021/9/1516冲压式发动机：在起飞时推力为零，低速时性能不好2021/9/1517脉冲式发动机：空气和燃料间歇地供入燃烧室，靠燃烧压缩工质2021/9/1518 2、燃气涡轮发动机 燃气涡轮发动机的四种
3、基本类型：涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺旋浆发动机 涡轮轴发动机2021/9/1519（1）涡轮喷气发动机2021/9/1520涡轮喷气发动机结构特点：涡轮只带动压气机压缩空气，发动机的全部推力来自喷出气流的反作用力。2021/9/1521燃气涡轮喷气发动机燃气涡轮喷气发动机 燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内继续膨胀继续膨胀,加速燃气加速燃气,提高燃气的速度提高燃气的速度,使燃气使燃气以较高的速度喷出以较高的速度喷出,产生推力。产生推力。航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器 与航空活塞发动机相比
4、与航空活塞发动机相比 结构简单结构简单,重量轻重量轻,推力大推力大,推进效率高推进效率高在很大的飞行速度范围内在很大的飞行速度范围内,发动机的推力随飞行速发动机的推力随飞行速度的增加而增加度的增加而增加 2021/9/1522（2）涡轮风扇发动机（内外涵发动机）涵道比：外涵道空气流量/内涵道空气流量2021/9/1523高涵道比涡扇发动机低涵道比涡扇发动机2021/9/1524涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机 由进气道由进气道,低压压气机低压压气机,高压压气机高压压气机,燃烧室燃烧室,高高压涡轮压涡轮,低压涡轮低压涡轮,喷管喷管,风扇和外涵道组成风扇和外涵道组成 涡扇发动机推力：涡扇发动机推力：内
5、、外涵道气流反作用力的总和。内、外涵道气流反作用力的总和。优点：优点：燃料使用效率高，噪声小，能获得较大加力比燃料使用效率高，噪声小，能获得较大加力比。2021/9/1525（3）涡轮螺旋浆发动机2021/9/1526涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机 由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还在它们之间还安排了一个安排了一个减速器减速器 涡轮螺旋桨发动机的工作原理涡轮螺旋桨发动机的工作原理 螺旋桨产生拉力螺旋桨产生拉力 气体流过发动机时产生反作用推力气体流过发动机时产生反作用推力在较低的飞行速度下在较低的飞行速度下,具有较高的推进效率具有较高的推进效率,所以所以它在
6、低亚音速飞行时的经济性较好它在低亚音速飞行时的经济性较好 适用于低空低速的运输机和民航机适用于低空低速的运输机和民航机2021/9/1527定轴式：具有大减速臂的减速器（黑色部分）大大增加了发动机的重量2021/9/1528自由涡轮式：自由涡轮转速较低，可以采用小减速比的减速器来减轻发动机的重量 2021/9/1529涡轮螺旋浆发动机特点：推力主要靠螺旋浆产生的拉力，燃气中剩下的很少能量在尾喷管中膨胀，产生一小部分推力（约10）2021/9/15302021/9/1531（4）涡轮轴发动机2021/9/1532涡轮轴发动机涡轮轴发动机 燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力燃气发生器后的燃气
7、可用能全部用于驱动动力涡轮而不在喷管内膨胀产生推力涡轮而不在喷管内膨胀产生推力 动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的旋翼的旋翼 2021/9/1533涡轮轴发动机与涡桨发动机的不同之处：燃气几乎全部在动力涡轮中膨胀，由尾喷管排出时，气流速度较低。2021/9/15342021/9/1535小 结2021/9/1536燃气发生器燃气发生器压气机压气机,燃烧室燃烧室,涡轮涡轮 产生高温高压燃气产生高温高压燃气又称为发动机的核心机又称为发动机的核心机核心机核心机它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；对燃气发生器所
8、获得的机械能进行不同的分配，就形对燃气发生器所获得的机械能进行不同的分配，就形成不同型式的发动机；成不同型式的发动机；涡桨发动机的螺旋桨，涡扇发动机的风扇，涡轴发动涡桨发动机的螺旋桨，涡扇发动机的风扇，涡轴发动机的悬翼的躯动力都来自燃气发生器。机的悬翼的躯动力都来自燃气发生器。2021/9/1537燃气涡轮发动机其他分类（P4）2021/9/15382021/9/15392021/9/1540民航方面的情况(p5)2021/9/15412021/9/15422021/9/15432021/9/15442021/9/1545第二节第二节 涡轮喷气发动机的工作涡轮喷气发动机的工作过程过程2021/
9、9/1546组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管。进气道：进气道：将足够的空气量,以最小的流动损失顺利地引入压气机。压气机：压气机：通过高速旋转的叶片对空气作功,压缩空气,提高空气的压力。燃烧室：燃烧室：高压空气和燃油混合,燃烧,将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气。涡轮：涡轮：高温高压的燃气在涡轮内膨胀,向外输出功,去带动压气机。喷管：喷管：使燃气继续膨胀,加速,提高燃气的速度。2021/9/1547一、涡轮喷气发动机的理想循环2021/9/1548布莱顿循环由绝热压缩过程布莱顿循环由绝热压缩过程1-21-2、等压加热过程、等压加热过程2-32-3、绝、绝热膨胀过程热膨胀过程3-43-
10、4和等压放热过和等压放热过程程4-14-1组成。由于这个循环在组成。由于这个循环在等压加热，故也称为等压加等压加热，故也称为等压加热循环。涡轮喷气发动机和热循环。涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机的理想循环冲压喷气发动机的理想循环就是布莱顿循环。就是布莱顿循环。布莱顿循环布莱顿循环2021/9/1549在等压加热过程在等压加热过程2-32-3中，加给工质的热量为中，加给工质的热量为：q q1 1=Cp(T=Cp(T3 3-T-T2 2)在等压放热过程在等压放热过程4-14-1中，工质放出的热量为中，工质放出的热量为：q q2 2=Cp(T=Cp(T4 4-T-T1 1)由于理想循环由于理想循环w
11、w0 0=q=q1 1-q-q2 2 所以，布莱顿循环的理想循环作功为：所以，布莱顿循环的理想循环作功为：w w0 0=Cp(T=Cp(T3 3-T-T2 2)-Cp(T)-Cp(T4 4-T-T1 1)式中：式中：T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4分别为工质状态分别为工质状态1 1、2 2、3 3、4 4时的温度。时的温度。2021/9/1550改写为：改写为：布莱顿循环的理想循环效率为：布莱顿循环的理想循环效率为：2021/9/1551而而 p p1 1=p=p4 4，p p2 2=p=p3 3 代入上式，得代入上式，得：因为和为绝热过程，所以因为和为绝热过程，所以：代
12、入得代入得：为工质被压缩后的压力为工质被压缩后的压力p p2 2与压缩前的压力与压缩前的压力p p1 1的比值，的比值，并称为增压比。并称为增压比。2021/9/1552燃气涡轮喷气发动机的理想化条件燃气涡轮喷气发动机的理想化条件 假设工质完成的是一个封闭的热力循环假设工质完成的是一个封闭的热力循环 略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换,忽忽略实际过程中的摩擦略实际过程中的摩擦,假设在燃烧室中进行的燃油燃烧释假设在燃烧室中进行的燃油燃烧释放出热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程放出热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程,并且
13、忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低,从而用从而用定定压加热过程压加热过程代替之代替之喷入的燃油的质量忽略不计喷入的燃油的质量忽略不计,而且假定工质是定质量的定而且假定工质是定质量的定比热容的完全气体比热容的完全气体喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程。喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程。2021/9/1553布莱顿循环 02：绝热压缩：绝热压缩（进气道、压气机）（进气道、压气机）23：等压加热：等压加热（燃烧室）（燃烧室）35：绝热膨胀：绝热膨胀（涡轮、喷管）（涡轮、喷管）50：等压放热：等压放热（外界大气）（外界大气）2021/9/1554
14、1kg工质所作的循环功（加热量与放热量之差）：越大，表示涡轮前的温度越高，循环功越大，热效应越高。2021/9/1555循环的热效率（发动机增压比 ）越高，热效率越高2021/9/1556Lk、LT分别表示压气机的压缩功和涡轮的膨胀功。对于涡轮喷气发动机，两者相等，所以有：用机械能的形式表示发动机涡轮前温度越高，循环功越大，排气速度越大2021/9/1557发动机在实际工作过程中的损失气流在进气道、压气机压缩过程中的流动损失气流在燃烧室中有流动损失和加热过程中的热阻损失，压力下降。气流膨胀过程中有流动损失。定压放热过程只有热损失，没有流动损失，所以，实际的放热过程与理想循环的放热过程相同。20
15、21/9/15582021/9/1559摩擦降低了总压，热阻损失降低了总温2021/9/1560第三节第三节 涡轮喷气发动机推力和涡轮喷气发动机推力和效率（效率（*）2021/9/1561一、推力的产生一、推力的产生气流流过发动机时，发动机的内壁及各部件对气体施加作用力，使其动量发生变化，而气体必然同时给予发动机及各部件以反作用力。这些反作用力在轴向分力的合力，即推力。推力：提供给飞机，克服飞机前进阻力或使飞机加速而作功的力。有效推力发动机内推力 短舱的阻力2021/9/1562产生连续推力的原因产生连续推力的原因力学角度作用力与反作用力的结果 能量角度推力是能量转换的表现形式，稳定燃烧是产生
16、推力的能量基础 热力学角度等压循环是产生连续推力的基础 2021/9/1563有效推力2021/9/1564当燃气在喷管中完全膨胀时内推力忽略流量差别时发动机地面试车2021/9/1565涡喷发动机的推力分布涡喷发动机的推力分布2021/9/1566推力的分布 由图可以看出进气道，压气机，燃烧室产生的力是向前的；涡轮，喷管产生的力是向后的。向前的力减去向后的力就等于推力。其中以压气机产生的力所占的比例最大。2021/9/1567二、推进功率和推进效率假设：飞机等速平飞推进功率：L每公斤气流的循环功发动机在热力循环中产生的功率2021/9/1568推进效率C5/C0 越大，推进效率越小当C00，
17、没有推进功当C5C0，效率为1，但F为零 2021/9/1569发动机损失的能量：排气速度与飞行速度相差越大，动能损失越多每公斤气流损失的能量：2021/9/1570三、总效率定义：加入燃烧室的燃油完全燃烧时放出的热量，有多少转变为推进功。qs每公斤空气所提供的热量2021/9/1571总效率（0.200.30）热效率（0.250.4）推进效率（0.500.75）提高总效率的措施：提高热效率，如提高压气机增压比，涡轮前燃气温度；提高推进效率，减小C5和C0之间的差值。2021/9/1572四、沿流程参数变化2021/9/1573第四节第四节 涡轮喷气发动机的性能指涡轮喷气发动机的性能指标和基本
18、要求标和基本要求2021/9/1574一、涡轮喷气发动机的性能指标（一）推力性能指标1、推力F（最主要指标，单位N，英磅）推力和发动机功率之间的关系：发动机发出的功率与飞行速度和排气速度的平均值有关。2021/9/15752、单位推力Fs定义：发动机推力/发动机空气流量（单位 N s/kg，dN s/kg）表示每公斤空气每秒所产生的推力流量相同，单位推力越大，发动机推力越大2021/9/15763、推重比Fw定义：发动机地面最大工作状态下的推力/发动机的净重涡喷发动机推重比为3.54涡轮风扇发动机推重比达8以上2021/9/15774、单位迎面推力FA定义：发动机推力/发动机最大迎风面积最大迎
19、风面积相同时，FA越大，推力F越大推力F相同时，FA越大，发动机迎风面积越小2021/9/1578（二）经济性能指标1、燃油消耗量Gf（单位kg/s，kg/h）定义：单位时间内所消耗的燃油量 推力相同时，Gf越小越好2、单位燃油消耗率sfc(单位kg/h N,kg/h daN)定义：产生一牛顿推力每小时所消耗的燃油量2021/9/1579Hu为燃油的热值（kJ/kg）Sfc与总效率、飞行速度有关2021/9/1580（三）使用性能指标发动机的可靠性起动迅速可靠 从静止加速到慢车状态的过程加速性 从慢车加速到最大转速所需的时间发动机的寿命 第一次翻修或两次大修的工作时数维护的繁简程度2021/9
20、/1581二、基本要求推重比高，单位迎风面积小 同等推力时，发动机尺寸小，重量轻。同等推力时，发动机迎风面积小，阻力小。单位燃油消耗率低可靠性好 工作稳定性、结构完整性、寿命 事故率：每十万（百万）工作小时的故障次数 提前拆换率：不到寿命而提前返修的台数/总台数使用成本低（燃油、购买成本、维护费用）2021/9/1582第五节第五节 涡轮喷气发动机的演变涡轮喷气发动机的演变和各种燃气涡轮发动机适用范围和各种燃气涡轮发动机适用范围2021/9/1583一、涡轮风扇发动机（*）涡喷发动机的推进效率一般只有0.50.75，特别是飞行速度不高，为了提供推重比，排气速度提高了，推进效率更加下降。降低发动
21、机排气速度C5（涡轮前总温）可以提高推进效率2021/9/1584涡扇发动机的由来涡扇发动机的由来设设1 1）加与不加外罩核心机工作状态不变，即核心机）加与不加外罩核心机工作状态不变，即核心机产生的可用功不变时；产生的可用功不变时；2 2）外罩和核心机出口气流速度相同；）外罩和核心机出口气流速度相同；3 3）喷管完全膨胀、忽略燃气和空气流量差别）喷管完全膨胀、忽略燃气和空气流量差别 2021/9/15852021/9/1586在循环功率相同的条件下，工质的流量越大：排气速度越小，推力越大，推进效率越大，燃料消耗率越小。飞行速度C0越小，推力增加的效果更明显。循环功率相同，增大流量（加风扇）有好
22、效果2021/9/1587从涡喷发动机到涡扇发动机的意义：提高推进效率；飞行速度较低时，推进效率和推力增加的效果更明显。飞行速度较大时，不宜使用涡扇发动机。涡扇发动机适用于高亚音速巡航，用于大中型民航机和运输机。2021/9/1588二、涡轮螺浆发动机涡扇发动机增加了发动机的涵道比，提高了推进效率。涡浆发动机螺旋桨产生拉力螺旋桨产生拉力 气体流过发动机时产生反作用推力气体流过发动机时产生反作用推力适用于低空低速的运输机和民航机适用于低空低速的运输机和民航机2021/9/1589三、涡轮轴发动机 同样的核心机，同样的循环功率，旋翼越大，流量越大，旋翼所产生的升力越大。一般，旋翼的空气流量为涡轮轴
23、发动机空气流量的5001000倍。2021/9/1590四、加力式涡轮喷气发动机和加力式涡轮风扇发动机使用原因：飞行速度C0较大，降低C5和提高流量效果不明显，需要增加理想循环功。增加理想循环功的途径：增加涡轮前总温和发动机增压比。优点：结构简单，重量轻。应用：歼击机2021/9/1591五、冲压式发动机冲压的增压比提高，压气机的增压比下降。优点：结构简单，推重比高。缺点：低速性能不好。应用：作靶机和导弹的动力装置。各种空气喷气发动机的应用范围（P19，图1-13）2021/9/15922021/9/1593第六节发动机各部件上的受力第六节发动机各部件上的受力及转子轴向力的减荷及转子轴向力的减
24、荷2021/9/1594一、发动机各部件上的受力气体力：气体力：气流在发动机内流动时，在各个截面上具气流在发动机内流动时，在各个截面上具有不同的压力和流速。因此，与气体相接触的各个有不同的压力和流速。因此，与气体相接触的各个零、组件上作用有气体力或气体力矩零、组件上作用有气体力或气体力矩惯性力：惯性力：发动机的转子零件转动时会产生离心惯性发动机的转子零件转动时会产生离心惯性力，当飞机曲线飞行、直线加速或减速时，在发动力，当飞机曲线飞行、直线加速或减速时，在发动机的零、组件上有惯性力或惯性力矩机的零、组件上有惯性力或惯性力矩 热应力：热应力：发动机内各零件由于受热不均或者材料不发动机内各零件由于受热不均或者材料不同（线膨胀系数不同），当其热膨胀受到约束时产同（线膨胀系数不同），当其热膨胀受到约束时产生热应力生热应力 2021/9/1595二、发动机转子轴向力的减荷减少转子轴向力的措施（P20）2021/9/1596