燃气涡轮发动机08A

燃气涡轮发动机原理林兆福第8章涡轮喷气发动机38.1稳态下的共同工作发动机五大部件组合在一起,构成发动机的本体,而共同工作。由于民用航空发动机的进气道和喷管均是不可调的,所以五大部件的共同工作就是压气机,燃烧室和涡轮的共同工作。通常将压气机、燃烧室和涡轮称为燃气发生器,它是各类燃气涡轮发动机的核心机。所以,研究压气机和涡轮的共同工作,是研究各种类型燃气涡轮发动机各部件共同工作的基础。48.1稳态下的共同工作稳态发动机在某一转速下连续工作的状态,或者说是发动机转速不随时间而变化的工作状态。过渡态发动机从某一转速变到另一转速下工作状态的总和。过渡态分为加速过程和减速过程。58.1稳态下的共同工作稳态下的共同工作条件转速一致：流量连续：压力平衡：功率平衡：TCnnamgmqq,,*2*3ppbmTCNN68.1稳态下的共同工作如何保证稳态下的共同工作要保证发动机在稳态下工作,必需随着外界条件和发动机部件面积的变化,调节供油量来控制涡轮前燃气总温,使涡轮功率等于压气机功率。例如,飞行高度升高时,由于大气密度减小,进入发动机的空气流量减小,压气机功率和涡轮功率都随之减小,这时若供油量保持不变,则由于空气流量的减小,还要引起涡轮前燃气总温的升高,使涡轮功增大,涡轮功率就会比压气机功率减少的少一些,因此涡轮功率大于压气机功率,发动机转速就会增大,为了保持发动机转速不变,随着飞行高度的升高,应该适当地减小供油量来控制涡轮前燃气总温,使涡轮功率等于压气机功率。78.1稳态下的共同工作稳态下的供油•燃烧室的热力平衡有：•影响供油量的因素有：空气流量，燃烧室出口与进口总温之差。•当燃烧室出口与进口总温之差保持不变时，空气流量供油量•当空气流量保持不变时，燃烧室出口与进口总温之差，供油量转速空气流量供油量下面分析燃烧室出口与进口总温之差随转速的变化规律：)(*2*3,,TTcqHqpamufm88.1稳态下的共同工作稳态下涡轮前温度随转速的变化规律中转速时,涡轮前燃气总温较低,在低转速和高转速时,涡轮前燃气总温较高。低转速时，随着转速的增加，涡轮前燃气总温下降；高转速时，随着转速的增加，涡轮前燃气总温上升。压气机出口总温随转速的变化规律随着转速的增加，压气机出口总温上升。随转速的变化规律低转速时，随着转速的增加，下降；高转速时，随着转速的增加，上升。)(*2*3TT)(*2*3TT)(*2*3TT98.1稳态下的共同工作稳态下的供油曲线•低转速范围内：转速空气流量供油量转速供油量•高转速范围内：转速空气流量供油量转速供油量稳态下供油量随转速的变化规律。•在低转速范围内:随着增大,缓慢的上升;•在高转速范围内:随着转速的增大,很快的上升。)(*2*3TT)(*2*3TT108.1稳态下的共同工作8.1.3稳定工作的共同工作方程⒈压气机特性图上的等线根据流量连续有：如果取;;,,所以常数为压气机进口和涡轮导向器喉部面积之比。代入上式**13TT11*1*133',)(qATpKqATpKqtttgmtbttcqqTTAAKKpp)()(*****1131'12**)(131TTqD1KK1}{tqtAAD/1D*2*3ppb1tb1111qATpKqm1*1*11AKpTqqm118.1稳态下的共同工作有：此式称为温度相似参数方程称为温度相似参数此式中和均为压气机的相似参数，**13TT*****1113PTqTTCmc*c**11PTqm128.1稳态下的共同工作将此式表示在压气机特性图上:由此式可以看出:⑴当温度的相似参数保持不变时,可以在压气机通用特性图上得到一条通过坐标原点的直线,如图所示,通常叫做等温度相似参数线,其率为⑵当温度相似参数取不同数值时,就得到一蔟斜率不同的通过原点的直线。随着温度相似参数的增加,直线的斜率也随之增大。*1*3TTC。138.1稳态下的共同工作⑶在发动机转速很小时,涡出轮导向器处于亚临界工作状态,C值不再为常数等温度相似线变得弯曲,并交汇于＝１的点。⑷当飞行条件一定,涡轮前燃气总温保持不变时,则＝常数,这时流过发动机的空气流量与压气机的增压比成正比。也就时说,压气机的增压比是决定发动机流通能力的一个主要因素。⑸当飞行条件和发动机转速一定时,增加将使流量qm减小、压气机增压比πc增大。但是,增加,使＝常数线的斜率增大,与给定转速的等转速线的交点,即共同工作点向喘振边界靠近。如果瞬时增加过多,将会使共同工作点入喘振区引起发动机喘振。。c13/TT13/TT13/TT148.1稳态下的共同工作⑹在给定压气机转速的相似参数和涡轮前燃气总温的相似参数时,就可以在压气机特性图上给定一个工作点。⑺在给定压气机转速的相似参数和流量相似参数时,如为设计值,则有：该式表明,若要使发动机工作在设计状态下,则要求涡轮导向器最小截面面积与涡轮前燃气总温的相似参数的比值应为常数。。tCATT13158.1稳态下的共同工作⒉稳定工作的共同工作方程根据功率平衡有令式中参数B主要反映涡轮落压比的影响。当＝常数时,＝常数,所以B＝常数,将该式带入流量连续得到的公式中,则有:mTcww1)1(11cccTRwTTTTRw13111TTe1111ccecceBTT1/13mTTppeccB/168.1稳态下的共同工作⒉稳定工作的共同工作方程就为＝常数条件下的涡轮－压气机共同工作方程,它是涡轮喷气发动机在稳定工作情况下,按照确定的调节规律(＝常数),同时满足压气机和涡轮流量连续、压力平衡和功率平衡条件而获得的。该涡轮－压气机共同工作方程可以表示在压气机特性图上。11CqecccT5A178.1稳态下的共同工作⒉稳定工作的共同工作线根据共同工作方程可以在压气机特性图上画出压气机和涡轮的共同工作线,其方法是:•首先将设计点的参数值带入共同工出作方程,得到式中的常数,记做Cd.•然后，在压气机特性图中的任一个等换算转速线上任选取一点,读出该点的增压比，效率和流量相似参数的数值,将这些数据代入共同工作方程式,求出常数C,与Cd进行比较，看它们是否相等,•如果不等,则在等换算转速线上另选一点,再进行计算,直至满足方程两边恒等为止,这样就找到了该换算转速下的共同工作点。•依次找出各不同换算转速上的共同工作点,将这些共同工作点连接起来就是涡轮和压气机的共同工作线。.188.1稳态下的共同工作压气机功与涡轮功相等的条件也可以写成从此式可以看出：•为了满足压气机与涡轮功相等的条件,压气机功、涡轮前燃气总温和涡轮落压比这三者之间必须保持一定的关系。•如果涡轮落压比保持不变,压气机功越大,则所需要的涡轮前燃气总温越高。•如果压气机功保持不变,涡轮落压比增大,则涡轮前燃气总温可以相应降低。mTTcRTw13111198.1稳态下的共同工作影响共同工作线位置的因素⒈外界条件•⑴喷管处于超临界状态当发动机的转速保持不变,由于大气温度降低、飞行马赫数减小,或飞行高度升高使压气机进口的总温下降时,共同工作点沿共同工作线向上移动,压气机的增压比和流量相似参数随之增大。也就是说,当转速相似参数增大时共同工作点沿共同工作线向上移动;而当转速相似参数减小时,共同工作点沿共同工作线向下移动。这种情况不会改变共同工作线的位置。•⑵喷管处于亚临界状态随着发动机转速相似参数的减小,喷管将处于亚临界工作状态,这时,涡轮的落压比不再保持常数,它将随飞行马赫数和飞行高度的减小而减小,所以,不同的飞行马赫数Ma将对应着不同的共同工作线。随飞行马赫数Ma的减小,涡轮落压比将减小,为了保持转速不变,和喷管处于超临界相比,必须要提高涡轮前燃气总温,以增大涡轮功。也就是说,在同一转速下,喷管处于亚临界状态时所需要的涡轮前燃气总温比喷管处于超临界状态时的高,即共同工作点将沿等转速相似参数线向喘振边界方向移动一定的距离,共同工作线也随着向喘振边界方向移动一定的距离。飞行马赫数Ma越小,喷管出现亚临界状态的时机越早,对应的增压比和转速越大,即共同工作线在较大的增压比和转速下就与喷管为超临界状态所对应的共同工作线分开,如图所示。208.1稳态下的共同工作⒉喷管面积涡轮和压气机的共同工作方程中的系数C取决于涡轮落压比的大小。而涡轮落压比的值是由涡轮与喷管的共同工作所决定的。涡轮与喷管的共同工作条件就是流过涡轮与流过喷管的流量相等,由此得到当涡轮导向器和喷管都处于临界或超临界工作状态时,则有由上式可知,在涡轮导向器不可调的情况下,涡轮落压比的变化与喷管出口面积成正比。当喷管面积增大时,涡轮后的反压立刻下降,因此涡轮落压比变大,在保证气机与涡轮功率平衡的前提下,涡轮前燃气总温将下降。由压气机特性图上的等温度比线可知,低涡轮前燃气总温的工作点落在右下方,所以压气机工作点将沿等转速线下移动，使工作点远离喘振边界。1255//nntttzTqAqA125//nnttzTAA218.1稳态下的共同工作喷管为亚临界时的工作线喷管面积对工作线的影响改变喷管面积,将影响共同工作点的位置,而且还可以看出:等A5线就是等涡轮落压比线,也就是喷管面积一定的涡轮和压气机的共同工作线。228.1稳态下的共同工作⒊压气机设计增压比压气机设计增压比影响共同工作线的位置。由图中可以看出:•低压气机设计增压比的情况下,当换算转速降低时,共同工作线远离喘振边界;•高压气机设计增压比的情况下,当换算转速降低时,共同工作线将向喘振边界靠拢;•出现低换算转速时共同工作线与喘振边界相交的情况。这种情况是由两方面的原因造成的:压气机的设计增压比不同,共同工作线的斜率不同,设计增压比愈高,共同工作线愈平缓。设计增压比愈高,喘振边界愈陡。238.1稳态下的共同工作⒋压气机中间级放气压气机中间级放气可以增大压气机进口的空气流量,消除前几级的喘振状态,同时又使后几级流量减小,从而脱离“涡轮状态”,即放气使共同工作点向压气机进口流量增大的方向移动,也就是远离喘振边界,扩大了稳定工作的范围。又由于压气机中间级放气,使整台压气机的增压比将减小。248.1稳态下的共同工作⒌可调导向叶片和整流叶片当发动机的换算转速减小时,压气机的喘振裕度将减小,这时可调导向叶片顺压气机旋转的方向转动一个度,即减小导向叶片和前几级静子叶片的安装角,使转子叶片上气流攻角减小,喘振边界线左移,同时使共同工作线右移,从而增大了喘振裕度,如图所示。图中的实线和虚线分别表示了压气机不可调和带可调导向器时的压气机特性线及在同样喷管面积条件下发动机的共同工作线。很明显,采用可调导向叶片使喘振裕度增大,但是在同样转速下,压气机的增压比将减小,流过发动机的空气流量也将减小。喷管处于亚临界状态时,涡轮落压比也将减小,涡轮前燃气总温将增高。258.2调节规律调节规律:最大状态调节规律和巡航状态调节规律。最大状态调节规律:•发动机的最大状态调节规律是指由自动调节器保证的发动机最大工作状态随飞行状态的变化规律。巡航状态调节规律:•巡航状态调节规律是指发动机由最大工作状态减小推力时所遵循的规律。268.2调节规律8.2.1.发动机的最大状态调节规律最大状态调节规律的选择,应使发动机在任何飞行状态下都能产生尽可能大的推力。提高发动机推力的限制因素:•首先是发动机的实际转速n,由于发动机转子零件强度的限制,不允许超过规定的最大值;•其次是涡轮前燃气总温,由于涡轮部件材料耐热性的限制,不允许超过规定的