航空发动机原理第二讲 发动机部件工作原理--气动热力学基础

黄玥助理教授物理机电航空大楼[e-mail]物理与机电工程学院厦门大学发动机部件工作原理AeroEnginePrinciple–Lecture#2/EnginepartsSeptember22,2014发动机部件工作原理•第一节气动热力基础•第二节进气道•第三节尾喷管•第四节压气机•第五节涡轮•第六节燃烧室发动机部件工作原理•第一节气动热力基础•第二节进气道•第三节尾喷管•第四节压气机•第五节涡轮•第六节燃烧室第一节气动热力基础2014年9月22日4第一节气动热力基础•1、连续方程•2、能量方程•3、音速•4、马赫数•5、滞止参数2014年9月22日5•6、变截面管流•7、临界参数•8、速度系数•9、密流函数•10、激波1、连续方程2014年9月22日星期一222111vAvAqm2、能量方程2014年9月22日7222121211()()()2qhhvvgzzW2221211()()2qhhvv2222111122hvhv2、能量方程•同时可以看出，气体在变截面流管中的流动，气流的速度与温度同时变化。•气体加速，T降低宏观动能←内部储能•气体减速，T升高宏观动能→内部储能2014年9月22日8constvTCvhp2221212、能量方程•示例1–以发动机的进气道为例。–V0=0T0=288.15K–进口速度124.3m/s进口温度280.4K2014年9月22日92、能量方程•示例2–以发动机的尾喷管为例。–尾喷管进口速度174m/s进口温度507.6K–尾喷管出口速度417m/s出口温度442.6K2014年9月22日103、音速•音速随当地温度变化而变化，并不是定值•示例:•T=15⁰Cc=340.3m/s2014年9月22日11dpcRTd4、马赫数•Ma：气体速度与当地音速之比2014年9月22日12avvMcRT22222221(1)1avvvMcRTRT22vvconstcT宏观气体动能分子无规则运动动能4、马赫数2014年9月22日13Ma=0.3Ma=0.6？vTcMa0.64、马赫数2014年9月22日1422222221(1)1avvvMcRTRT22vvconstcT宏观气体动能分子无规则运动动能作业2014年9月22日星期一•（1）飞机的Ma增加1倍，其空速是否也增加一倍？为什么？•（2）气体在尾喷管中Ma增加1倍，气流速度是否也增加1倍？为什么？5、滞止参数•稳态一维定常流动的能量方程：•定常流动中v等熵地降为0的点，称为驻点、滞止点。2014年9月22日16constvh221constvhh2*2105、滞止参数•定比热容的理想气体：•带入总焓的公式，可得到2014年9月22日17phcT2*2pvTTconstc5、滞止参数2014年9月22日181pRc*2112aTTMcRT2*2pvTTconstc5、滞止参数•等熵过程2014年9月22日19pconstpRT1*2112appM11*2112aM*2112aTTM5、滞止参数例：环境温度15⁰C、音速C=340m/s•行走1m/sMa=0.003T*=15.0005⁰C•自行车18km/hMa=0.015T*=15.0125⁰C•汽车108km/hMa=0.088T*=15.4482⁰C•客机700km/hMa=0.57T*=33.7403⁰C•战斗机Ma=2T*=245.319⁰C•流星10000km/hT*=3830.53⁰C2014年9月22日205、滞止参数2014年9月22日21风级名称(m/s)风级名称(m/s)0无风0.0-0.27劲风13.9-17.11软风0.3-1.58大风17.2-20.72轻风1.6-3.39烈风20.8-24.43微风3.4-5.410狂风24.5-28.44和风5.5-7.911暴风28.5-32.65清风8.0-10.712台风32.66强风10.8-13.8发动机尾喷口速度：100-1200m/s小结•1、连续方程•2、能量方程•3、音速2014年9月22日22222111vAvAqmconstvTCvhp222121dpcRTd小结•4、马赫数•5、滞止参数2014年9月22日23avvMcRT1*2112appM11*2112aM*2112aTTM6、变截面管流•一维定常绝能管流•发动机内部工质是可压缩气体•可压缩气体高速流动时，存在神奇现象2014年9月22日24V↑低速气体6、变截面管流•超声速气体进入变截面管道2014年9月22日25？V↓？V↑6、变截面管流•通过速度变化率与面积变化率的关系理解•Ma1dv与dA同号（超音速）•dA0dv0•dA0dv02014年9月22日26vdvMAdAa)1(26、变截面管流•通过速度变化率与面积变化率的关系理解•Ma1dv与dA异号（亚音速）•dA0dv0•dA0dv02014年9月22日27vdvMAdAa)1(26、变截面管流•超音速气流举例2014年9月22日28进口出口相对变化面积（m2）0.003520.002210.6278密度（kg/m3）0.57131.45652.5494速度（m/s）497.17310.730.6250Ma1.931010.5179静温（K）164.71239.931.4567静压（Pa）270131003123.7135vA6、变截面管流•亚音速气流•亚音速•超音速2014年9月22日29vAvAvA6、变截面管流•气流速度与管道截面变化的关系2014年9月22日30参数dA0dA0Ma1Ma1Ma1Ma1V↑↓↓↑T↓↑↑↓Ma↑↓↓↑p↓↑↑↓ρ↓↑↑↓6、变截面管流•思考题：如何设计亚音速进气道？•亚音速客机在设计高度以Ma=0.8巡航，涡扇发动机的风扇进口Ma要求0.55。2014年9月22日31前方气流Ma=0.8Ma=0.55进气道？我只接受Ma=0.55气流6、变截面管流•思考题：如何设计亚音速进气道？•亚音速客机在设计高度以Ma=0.8巡航，涡扇发动机的风扇进口Ma要求0.55。2014年9月22日32前方气流Ma=0.8Ma=0.55我只接受Ma=0.55气流6、变截面管流2014年9月22日33进气道6、变截面管流2014年9月22日34压气机6、变截面管流2014年9月22日35燃烧室6、变截面管流•思考题：如何设计超音速进气道？•超音速战机在设计高度以Ma=2巡航，涡扇发动机的风扇进口Ma要求0.55。2014年9月22日36前方气流Ma=2Ma=0.55进气道？我只接受Ma=0.55气流6、变截面管流•思考题：如何设计超音速进气道？•超音速战机在设计高度以Ma=2巡航，涡扇发动机的风扇进口Ma要求0.55。2014年9月22日37前方气流Ma=2Ma≥1我只接受Ma=0.55气流Ma=16、变截面管流•思考题：如何设计超音速进气道？•超音速战机在设计高度以Ma=2巡航，涡扇发动机的风扇进口Ma要求0.55。2014年9月22日38前方气流Ma=2Ma=0.55我只接受Ma=0.55气流6、变截面管流•Ma=1时，dA=0截面积取极值，称为临界截面。2014年9月22日39vdvMAdAa)1(26、变截面管流•以收缩管道为例理解临界截面2014年9月22日40288.15K100000Pa进口总压流量Ma静温速度出口静压10000000288.1501000001010001.0000.119287.33240.5431000001890009.1550.999240.917310.3421000001900009.2031240.107310.65310000030000014.5311240.107310.65315847550000024.2191240.107310.653264125小结•在绝能管流中，气体总温永远不变；•在绝能等熵流动中，总压不变；若流动不等熵，总压下降•在绝能流动中，若气流速度发生变化，静温和当地音速也将发生变化•在收缩管道中，亚音速气流最高可加速至音速，超音速气流最低可降至音速；•临界截面只能是管道的最小截面，气流只能在最小截面处达到音速。2014年9月22日417、临界参数•假设气体在管道中作等熵加速流动，那么随着气体速度的增加，当地音速不断下降2014年9月22日42212pcTvconstcRT7、临界参数•对于一维绝能流动•将带入上式2014年9月22日43*221hvh2*12ppcTvcT1pRc*21121RTRTvconst22*121cvRT7、临界参数2014年9月22日44*21crRTc22*121crcrccRTvccrcrvc22*121cvRT8、速度系数•分析下面的绝能流动方程•气流速度与当地音速都在变化,不易计算Ma•定义气流速度与临界音速之比为速度系数,其与Ma有单值对应关系2014年9月22日4522pvcTconstcrvc8、速度系数•区别•与Ma的关系2014年9月22日46临界速度气流速度速度系数当地音速气流速度马赫数2222222222crcrcrccvvMacccc*221crRTc2cRT8、速度系数•与Ma的关系2014年9月22日4722212112aaMM22221111aM8、速度系数•Ma=0λ=0•Ma=1λ=1•Ma1λ1•Ma1λ1•Ma=∞2014年9月22日48max12.412222221122111122aaaaaMMMMM118、速度系数•思考题：在绝能流动中，如果气流速度增加2倍，那么下面的论述是否正确？•（1）Ma增加2倍（2）λ增加两倍2014年9月22日499、密流函数•在流量公式中，ρ、V随A的变化而变化，qm难以计算•引入新定义：密流：通过单位面积的流量.2014年9月22日50vAqmvAqm密流9、密流函数•密流函数（流量函数、无量纲密流）所研究截面密流与对应的临界截面密流之比•流量：•面积：•密流：•密流函数：2014年9月22日51()crcrvqc321mmmqqq231AAA231)()()(vvv)()()(231qqq9、密流函数•密流函数2014年9月22日52()crcrcrAvqcA1121111()()(1)21q11*2111*21crRTvc9、密流函数•与的关系2014年9月22日53)(q0)(0q1)(1q1)(1q1()1q0)(maxq9、密流函数•对于一维绝能流管：–若气流为亚音速，随着流速增加，密流增加；–若气流为超声速，随着流速增加，密流减小。•用密流函数表示流量公式：2014年9月22日54)(**AqTpKqm9、密流函数•以上公式的推导：2014年9月22日55()()()mcrcrcrcrcrcrvqvAcAqcAc1*1*2()1crpRT*2(1)crRTc)(**AqTpKqm112()1KRk9、密流函数•临界截面•Ma=1，λ=1，q(λ)=12014年9月22日56)(