燃气涡轮发动机(4)

第4章发动机特性刘成英4.1涡轮喷气式发动机4.1.1稳态下的共同工作（单转子发动机）稳态：发动机在某一转速下连续的工作状态稳态下共同工作条件：（1）转速一致（2)流量连续（3）压力平衡（4）功率平衡4.1.2过渡态下的共同工作剩余功率过渡态：启动，加速，减速剩余功率=涡轮功率-压气机功率改变供油量改变涡轮前温度改变涡轮功率改变发动机转速加速性：用加速时间衡量。加速时间：从慢车转速加速到最大转速或某一高转速的时间。加速性的限制：压气机喘振，涡轮超温，燃烧室富油熄火，超转限制减速过程限制：贫油熄火限制4.1.3发动机的特性民航发动机常用的工作状态：最大起飞工作状态最大连续工作状态最大巡航工作状态慢车工作状态飞机喷水解释：在航空燃气涡轮发动机中，喷液（水、水与甲醇或水与乙醇的混合液）加力的方案也在某些发动机上得到采用。在压气机进口处喷液，液体蒸发吸热，降低气温，使压气机效率提高，质量流量增加，在保持涡轮进口温度不变的条件下，可以使发动机推力加大。在燃烧室进口处喷液，使通过涡轮的质量流量大于压气机的质量流量，这样可以减少涡轮的压降和温降，使尾喷管内压力提高，从而获得附加推力。如果，在喷液的同时，向燃烧室内相应地增加供油，或混合液中含有甲醇、乙醇在燃烧室中燃烧，均可进一步增大推力。在超音速飞机的发动机中，如果向进气道中喷液，可以显著地增大推力，因此这种方案在某些超音速教练机上得到采用。喷液加力的方案所能增加的推力有限，而且需要专门的附属系统，所以一般只用于某些民航机上，以增加在高原、高温机场上的起飞推力，改善飞机的起飞性能。喷水加力能提高30%的附加推力。推力增加不但是由于降温、提高增压比和流量，而且是由于水汽的气体常数大（约463N.m/kg.K），也使单位推力增加，但是由于水在发动机中停留时间很短，只有一部分水汽化。水对压气机叶片有腐蚀作用，造成发动机性能恶化或喘振。在某些情况下，由于水的冷却，使压气机机匣卡住工作叶片。如果大气温度很低，在压气机进口喷水，还有可能引起结冰。若在燃烧室进口喷水，可以避免上面的缺点，但推力的增加不如前者。水在燃烧室内蒸发使燃气流量增加，但是由于导向器的限制，使流体阻力增加，导致压气机流量下降，并移向喘振边界。压气机增压比也稍有增加。所以向燃烧室喷水受到压气机喘振裕度的限制。2.发动机特性燃气涡轮发动机的性能:(1)推力（Thrust）(2)耗油率（SpecificFuelConsumption,SFC）发动机的耗油率是发动机的第一性能指标，它反映了发动机的经济性。降低发动机的耗油率始终是发动机设计、研制中的一项重要目标。耗油率与涵道比的关系最密切，涵道比越高，耗油率越低。对于一台发动机来说，它所发出的推力和消耗的油量随着不同的工作条件如何变化，则是发动机性能的重要问题。这些性能包括转速特性（节流特性）速度特性高度特性。涡轮喷气发动机的转速特性（节流特性）:燃气涡轮发动机的推力与耗油率随发动机的转速而变化，最大转速时的推力达最大值，随着转速下降，推力减小；而在巡航状态下的耗油率为最低值，任何偏离最佳状态的转速，耗油率均增大涡轮喷气发动机的高度特性:在一定转速和速度条件下，随着飞行高度的增加，由于大气密度下降，空气流量减小；另一方面，由于大气温度随着高度的提高而降低（在对流顶以下），故推力随高度单调下降，下降率低于大气密度下降率。而在同温层，下降率增加，与大气密度下降率相当。由于随高度的增加，大气温度下降，故耗油率相应降低；在同温层，大气温度不变，故耗油率也保持不变。涡轮喷气发动机的速度特性:发动机的推力与飞行速度有密切关系，由推力公式可见，当迎面气流速度增大时，在相同的排气速度下，推力成比例下降；另一方面，进气速度提高将引起空气流量的增加。这两个相互矛盾的影响，使推力出现先下降而后提高，在一定的速度下，达到最大值，而后，迅速下降，直到完全没有推力。随着飞行速度提高，单位推力下降，故耗油率不断上升。MVj-V0mMFN,sfcFNsfcSubsonicSupersonic4.1.4双转子涡喷发动机双转子涡喷发动机的优点（参考教材page69）（1）防喘（2）更大推力（3）较高压气机效率较低涡轮前总温（4）良好的加速性（5）功率较小的起动机4.2涡轮风扇发动机4.2.1工作原理及特点（参考教材page70）4.2.2涡轮风扇发动机特性转速特性：双转子涡轮风扇发动机的转速特性（高压转子转速）转速增大，推力增大，但接近最大转速时，推力增长越来越慢。转速增大，燃料消耗率起初下降较快，后来下降缓慢。高度特性：保持发动机转速和飞行速度不变的条件下，发动机推力和燃料消耗率随飞行高度变化的规律，叫做发动机的高度特性。假设涡轮前温度保持不变，飞行高度升高时，空气密度减小，发动机的空气流量一直减小。在11000米以下,飞行高度升高时，大气温度降低，风扇增压比和内涵压气机增压比增加，使单位推力增大，涵道比减小；在11000米以上，大气温度保持不变，单位推力和涵道比保持不变,在上述影响推力的三个因素中，空气流量一直占主导地位，所以，随飞行高度的升高，推力一直减小。150()(1)aFGccY燃油消耗率随飞行高度的变化规律在11000米以下时，主要取决于是单位推力的增大，还是涵道比的减小起主导作用；在11000米以上时，由于随着高度的增加,大气温度保持不变,所以单位推力和涵道比均保持不变，燃油消耗率也就保持不变。503600()(1)fsfcccY速度特性：保持飞行高度和发动机转速不变的条件下，发动机推力和燃料消耗率随飞行速度变化的规律，叫做发动机的速度特性。涵道比随飞行速度的变化规律随着飞行速度的增大，涵道比在不断地增大涡扇发动机的推力随飞行速度的变化规律推力的变化取决于涵道比、空气流量和单位推力单位推力随飞行速度的增大而下降，涵道比增大，空气流量增大，但涵道比和空气流量增大程度不如单位推力下降的程度大。所以随飞行速度的增加推力将减小，特别是高涵道比的涡扇发动机，发动机的推力随飞行速度的增加推力一直是减小的，涵道比越大，推力下降的越快。150()(1)aFGccY燃油消耗率随飞行速度的变化规律随着飞行速度的增加而增加。低涵道比发动机上升的较慢;高涵道比发动机上升的较快涡扇发动机，特别是高涵道比的涡扇发动机，不适宜作高速飞行的动力装置，因为它的速度特性不好。4.3涡轮螺旋桨发动机1工作原理和结构特点2主要性能参数3涡桨发动机工作特性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4.3.1工作原理和结构特点当从涡喷发动机基本部分（常常称为燃气发生器）的排气用于旋转附加的涡轮通过减速器驱动螺旋桨，这就是涡桨发动机直接传动涡轮螺桨发动机：附加功率直接从压气机传动轴驱动螺旋桨减速器产生。自由涡轮带动：在现代涡轮螺桨发动机中更多的有自由涡轮，它独立于驱动压气机的涡轮，在发动机排气流中自由转动。自由涡轮轴通过减速器驱动螺旋桨。目前使用的涡桨发动机有三种形式：单轴的——压气机和螺旋桨用一个轴带动；双轴的——一个涡轮轴带动部分级压气机，第二个涡轮轴带动其余级的压气机和螺旋桨；双轴涡轮轴——一个涡轮带动压气机，另一个涡轮带动螺旋桨。采用两个单独的涡轮会使发动机构造复杂，但可分别调整压气机和螺旋桨的转速。目前使用的涡桨发动机有三个杆：很多涡桨发动机是自由涡轮式。在这一类发动机，基本发动机主要地作为燃气发生器起作用，完成驱动在发动机排气流中自由旋转的涡轮。自由涡轮通过减速器转动螺旋桨。PT6是由功率控制杆和螺旋桨控制杆分别操纵的发动机和螺旋桨控制系统控制的。第3个杆，称为启动控制杆用于在慢车选择高低转速范围和切断燃油供给使发动机停车。自由涡轮涡桨发动机的另一种结构形式是空气和燃气流动方向从后向前，这样的结构提供给设计大的灵活性。发动机有两个独立对转的涡轮。一个涡轮驱动压气机，另一个通过减速器驱动螺旋桨。基本发动机的压气机包括3级轴流式压气机同1级离心式压气机，安装在同一个轴上。涡桨发动机的优点：涡轮螺桨发动机组合了涡轮喷气发动机的优点同螺旋桨的推进效率。涡轮喷气发动机通过迅速加速相对小的空气质量产生它的推力，涡轮螺桨对相对大的空气质量施加较少的加速产生拉力。Thepropellergivesasmallaccelerationtoalargeweightofair.Thejetenginegivesalargeaccelerationtoasmallweightofair.涡桨发动机的工作特点：涡轮螺桨发动机其涡轮既带动压气机也带动螺旋桨。约2/3的涡轮功率用来转动压气机，其余的1/3用来转动螺旋桨和传动附件。涡桨发动机的拉力绝大部分由螺旋桨产生，而只有10~15%由喷气产生。为了降低燃油消耗率常采用增压比较高的压气机。推力是由在前面的螺旋桨和在后面的喷管组合作用产生的涡桨发动机的涡轮设计成从膨胀的燃气中吸收大量的能量不仅提供满足压气机和其他附件需要的功率，而且输出最大可能的扭矩到螺旋桨轴。平衡条件为：NT=NK+NB当量轴功率、当量燃油消耗率：螺旋桨的功率称为轴功率与喷气推力产生的推进功率折和为由螺旋桨产生的功率之和。涡桨发动机在台架上(V＝０)工作时,由于螺旋桨的效率＝0,当量功率采用下述经验公式进行计算式中的NE(KW)和F0(KN)是在V＝0时测得的螺旋桨轴功率和反作用推力。0EBBFCNN068.2EBNNF产生单位当量功率一个小时所消耗的燃油质量称为当量燃油消耗率。360013600ffeaeaeGGCGLGL4.3.2涡桨发动机特性涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随发动机转速，飞行高度和飞行速度的变化规律称为涡桨发动机特性。涡桨发动机特性分为转速特性高度特性速度特性转速特性：保持飞行高度和飞行速度不变的情况下，涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随发动机转速的变化规律称为涡桨发动机的转速特性。高度特性：保持发动机转速和飞行速度不变的情况下，涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随飞行高度的变化规律称为涡桨发动机的高度特性。速度特性:保持发动机转速和飞行高度不变的情况下，涡轮螺旋桨发动机的当量功率和当量燃油消耗率随飞行速度的变化规律称为涡桨发动机的速度特性。涡桨发动机控制燃油控制：•涡桨或涡轴发动机的燃油控制器接受驾驶员的功率要求信号，控制器考虑一些变量和调节燃油流量提供要求的功率而且不超出发动机转速和涡轮进口温度限制。•涡桨或涡轴发动机的控制系统还有附加的任务，它必需控制螺旋桨的转速或自由涡轮的转速，它也控制螺旋桨的桨叶角。PT6是由功率控制杆和螺旋桨控制杆分别操纵的发动机和螺旋桨控制系统控制的。第3个杆，称为启动控制杆用于在慢车选择高低转速范围和切断燃油供给使发动机停车涡桨发动机的螺旋桨多是恒速螺旋桨。保持螺旋桨恒速是由螺旋桨调速器实现的，它感受螺旋桨或自由涡轮转速，通过改变螺旋桨的桨叶角，即变大距，变小距，改变负荷保持螺旋桨恒速。涡桨发动机燃油控制器中有最大转速限制器，排气温度限制器以及扭矩限制器4.4涡轮轴发动机4.4.1：燃气发生器和自由涡轮燃气发生器其中带动压气机的涡轮叫做压气机涡轮。在压气机涡轮之后为动力涡轮，如果与前面的涡轮在机械上没有联系，称为自由涡轮。自由涡轮通过输出轴输出功率，经减速器(通常有体内减速器和主减速器)以低转速和大扭矩带动旋翼，小部分功率通过尾桨减速器带动尾桨。这种形式的涡轮轴发动机有以下几方面的优点：1研制比较方便，前后两个部件可分别进行，特别是采用现成的涡轮喷气发动机改型时，更为有利；2起动时只要带动燃气发生器，所以所需要的起动机功率较小3自由涡轮的工作对燃气发生器工作的影响较少，燃气发生器的工作比较稳定；4燃气发生器和旋翼以各自不同