1航空燃气涡轮发动机概述

飞机动力装置第三部分：燃气涡轮发动机刘熊第一章航空燃气涡轮发动机概述第一节航空燃气涡轮发动机简介燃气涡轮发动机的发展喷气发动机的分类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。（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（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）1、无压气机的发动机分类：冲压式发动机、脉冲式发动机。冲压式发动机：在起飞时推力为零，低速时性能不好脉冲式发动机：空气和燃料间歇地供入燃烧室，靠燃烧压缩工质2、燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的四种基本类型：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（1）涡轮喷气发动机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。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继续膨胀,加速燃气,提高燃气的速度,使燃气以较高的速度喷出,产生推力。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结构简单,重量轻,推力大,推进效率高在很大的飞行速度范围内,发动机的推力随飞行速度的增加而增加（2）涡轮风扇发动机（内外涵发动机）涵道比：外涵道空气流量/内涵道空气流量高涵道比涡扇发动机低涵道比涡扇发动机涡轮风扇发动机由进气道,低压压气机,高压压气机,燃烧室,高压涡轮,低压涡轮,喷管,风扇和外涵道组成涡扇发动机推力：内、外涵道气流反作用力的总和。优点：燃料使用效率高，噪声小，能获得较大加力比。（3）涡轮螺旋浆发动机涡轮螺旋桨发动机由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还安排了一个减速器涡轮螺旋桨发动机的工作原理螺旋桨产生拉力气体流过发动机时产生反作用推力在较低的飞行速度下,具有较高的推进效率,所以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％）（4）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的旋翼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。小结燃气发生器压气机,燃烧室,涡轮产生高温高压燃气又称为发动机的核心机核心机它完成了发动机将热能转变为机械能的工作；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；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。燃气涡轮发动机其他分类（P4）民航方面的情况(p5)第二节涡轮喷气发动机的工作过程组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，喷管。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：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：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：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：使燃气继续膨胀,加速,提高燃气的速度。一、涡轮喷气发动机的理想循环布莱顿循环由绝热压缩过程1-2、等压加热过程2-3、绝热膨胀过程3-4和等压放热过程4-1组成。由于这个循环在等压加热，故也称为等压加热循环。涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机的理想循环就是布莱顿循环。布莱顿循环在等压加热过程2-3中，加给工质的热量为：q1=Cp(T3-T2)在等压放热过程4-1中，工质放出的热量为：q2=Cp(T4-T1)由于理想循环w0=q1-q2所以，布莱顿循环的理想循环作功为：w0=Cp(T3-T2)-Cp(T4-T1)式中：T1、T2、T3、T4分别为工质状态1、2、3、4时的温度。改写为：0241113211TwqTTqqTT布莱顿循环的理想循环效率为：4141133222(1)11(1)TTTTTTTTTTT而p1=p4，p2=p3代入上式，得：1111442233()()kkkkTpTpTpTp因为１－２和３－４为绝热过程，所以：31442321TTTTTTTT11122111111()TkkkkTTpp代入得：为工质被压缩后的压力p2与压缩前的压力p1的比值，并称为增压比。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略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换,忽略实际过程中的摩擦,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,并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低,从而用定压加热过程代替之喷入的燃油的质量忽略不计,而且假定工质是定质量的定比热容的完全气体喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程。布莱顿循环0→2：绝热压缩（进气道、压气机）2→3：等压加热（燃烧室）3→5：绝热膨胀（涡轮、喷管）5→0：等压放热（外界大气）*3T1kg工质所作的循环功（加热量与放热量之差）：1*3011[(1)(1)]kkpkkLCTT越大，表示涡轮前的温度越高，循环功越大，热效应越高。循环的热效率111kk（发动机增压比）越高，热效率越高*20/PP225022TkccLLLLk、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：225022ccL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。摩擦降低了总压，热阻损失降低了总温第三节涡轮喷气发动机推力和效率（*）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有效推力5050501500001()()()efgafFGCGCPPAPPdAPPdAD50()aFGCC当燃气在喷管中完全膨胀时内推力50505()gaFGCGCPPA50gaFGCGC忽略流量差别时5aFGC发动机地面试车涡喷发动机的推力分布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。二、推进功率和推进效率假设：飞机等速平飞推进功率：0pNFC22502aaccNGLGL－－每公斤气流的循环功发动机在热力循环中产生的功率推进效率022502paFCCCGC5/C0越大，推进效率越小当C0＝0，没有推进功当C5＝C0，效率为1，但F为零5021/pcc发动机损失的能量：2250500()2paaccNNGGccc2225050500()()22ccccccc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：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。00asFcGqqs－－每公斤空气所提供的热量总效率（0.20~0.30）＝热效率（0.25~0.4）×推进效率（0.50~0.75）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。四、沿流程参数变化第四节涡轮喷气发动机的性能指标和基本要求一、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：22502accNG50()aFGcc50()/2NFcc发动机发出的功率与飞行速度和排气速度的平均值有关。2、单位推力Fs定义：发动机推力/发动机空气流量（单位Ns/kg，dNs/kg）/saFFG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3、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3.5~4涡轮风扇发动机推重比达8以上4、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（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/hN,kg/hdaN)定义：产生一牛顿推力每小时所消耗的燃油量36003600ffasGGsfcFGFfasHuGGq00ssFcq003600csfcHuHu为燃油的热值（kJ/kg）Sfc与总效率、飞行速度有关（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）第五节涡轮喷气发动机的演变和各种燃气涡轮发动机适用范围一、涡轮风扇发动机（*）涡喷发动机的推进效率一般只有0.5~0.75，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。5021/pcc降低发动机排气速度C5（涡轮前总温）可以提高推进效率涡扇发动机的由来22225105201222aaCCCCGG根据可用功相等：设1）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；2）外罩和核心机出口气流速度相同；3）喷管完全膨胀、忽略燃气和空气流量差别22152022251021525151025015202022250112112()11236001aaaaapppafGCCGCCGGCCCCFCCFCCFCFCCFGsfcFsfcFsfcF，F=G，，G，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）有好效果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。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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发动机空气流量的500~1000倍。四、加力式涡轮喷气发动机和加力式涡轮