发动机原理(第3章第2节)

第二节发动机特性•发动机特性发动机性能参数(F，SFC)随飞行条件(Ma，H)以及发动机油门位置的变化关系。•重要意义飞机的飞行性能与发动机特性密切相关。•特性包括–油门特性：给定飞行条件和调节规律，性能随油门位置的变化；–速度特性：给定油门、调节规律和飞行高度，性能随飞行马赫数的变化；–高度特性：给定油门、调节规律和飞行速度，性能随飞行高度的变化；–过渡状态特性：启动、加速、减速等过程性能变化。发动机特性与飞行性能关系•右图表示某一飞行高度发动机推力与飞机需用推力随飞行马赫数的变化–交点决定最大飞行马赫数–差值决定飞机的加速度、爬升率等机动性能。•巡航飞行航程：)ln(36000eiWWgKSFCVL一、油门特性•定义：一定飞行条件下，发动机推力、耗油率随发动机油门位置的变化关系。典型工作状态•最大状态(Max)–推力最大FMaxn=nMaxT3*=T3*Max–连续工作时间t5~10min–主要用于快速起飞\爬升、机动飞行–第四代战斗机超音巡航时发动机工作状态•额定/最大连续状态(Nom)–推力=85-90%FmaxnnMaxT3*T3*Max–连续工作时间t30~60min–主要用于起飞\爬升、高速飞行典型工作状态•巡航状态(Cru)–推力=65-75%Fmaxn=80-90%nMaxT3*和耗油率低–连续工作时间不受限制–主要用于长时间的亚音飞行运输机的主要发动机工作状态•慢车状态(Idle)–推力=3-5%Fmaxn30%nMaxT3*T3*Max–连续工作时间t5min–主要用于下滑\着陆,起飞待命等油门位置变化导致燃油流量变化节流特性燃油流量变化引起转速变化转速特性一、转速特性1.几何面积不可调发动机的转速特性推力变化从发动机共同工作线看,当转速从最大转速下降时引起:•增压比减小,压气机功减小,涡轮前温度降低,排气压力和温度降低,排气速度减小.•空气流量减小.推力随转速降低而减小涡轮前温度当转速从最大转速开始降低时,压气机增压比减小，压气机功减小，功平衡关系，涡轮前温度下降；当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远,效率降低,只有保持较高的涡轮前温度才能维持功率平衡关系，涡轮前温度回升。慢车状态时涡轮前温度接近最高允许值耗油率变化•当转速从最大转速开始降低时,由于压气机增压比还比较高且效率较高,涡轮前温度降低,耗油率有所下降；•当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远,各部件效率降低,压气机增压比大大降低,循环热效率降低,耗油率随之上升。耗油率随转速降低呈先减小后上升的变化喘振裕度的变化转速降低引起压气机喘振裕度下降，必须防喘。2.可变几何面积的转速特性•尾喷管临界截面积A8可调调大A8共同工作线下移SM增压比涡轮前温度排气速度推力2.可变几何面积的转速特性•压气机之间级放气放气使•SM被放掉的气体:•消耗了压缩功;•不参与涡轮作功,单位涡轮功,涡轮前温度•增压比•排气燃气流量推力耗油率2.可变几何面积的转速特性•可调压气机静子叶片角度调节角度使–SM–空气流量–增压比推力耗油率3.大气条件对转速特性的影响•气温增加–推力下降–耗油率上升•气压降低–推力下降–耗油率不变二、速度特性•定义发动机工作状态一定调节规律一定飞行高度一定发动机推力，耗油率随飞行Ma的变化关系•推力先升后降(马鞍形)•耗油率单调增加假定采用调节规律：n=nd，T3*=T3*d推力=qmaFs•流量变化随Ma的增加，速度冲压作用使发动机总增压比呈迅速上升趋势，qma随飞行Ma增加而加大。•压气机增压比变化由共同工作线知，随飞行Ma增加，工作点沿工作线下移，压气机增压比减小•高超音速飞机发动机冲压发动机*30*3*12*)211(pqqppMkmgmabikkkaki•单位推力的变化随Ma的增加，进气总温增加，压气机出口总温增加，使循环加热量不断减小，循环功减小。Fs随Ma的增加单调减小090202VVFsVVWFs•两者综合作用引起推力呈先升后降•推力最大对应于：Ma1.5~2.2•因单位推力随飞行Ma单调下降，导致耗油率单调增加。3600massFqFfsfcF耗油率•耗油率随Ma单调增加，并不意味经济性变差，因在飞行Ma变化时只能用总效率评价经济性。•总效率随飞行Ma先增后降。0maxMa=2.5~3pthaHuMaFsfSFC00036003600•飞行Ma变化时，发动机对超音速进气道工作点和特性的影响。飞行Ma增加，将使发动机流通能力下降，进气道进入亚临界状态：引起喘振、溢流损失。三、高度特性•定义：发动机工作状态一定调节规律一定飞行速度一定发动机推力，耗油率随飞行高度的变化关系•高度变化引起气压、气温变化。•11公里以上气温基本不变高度特性•典型高度特性•高度增加，气流密度下降使空气流量显著减小，推力决定了飞机的升限•H11km随高度增加，气温减小使循环加热比增加，单位推力增加，耗油率•H11km随高度增加，气温不变，单位推力不变，耗油率巡航高度一般为11公里。速度-高度特性飞行包线由发动机决定四、过渡过程特性•发动机性能及主要参数短时间内发生显著变化的过程为过渡过程（动态过程）•发动机性能及主要参数为时间的函数•典型过渡过程–起动/停车–加速/减速–接通/切断加力1.加速过程•加速过程–慢车状态最大状态–巡航状态最大状态转速迅速增加的过程•加速性推力迅速增加的能力用完成加速过程所需时间表示加速性•转子动力学方程Pt—剩余功率dn/dt0,Pt0dnPnJdttPdtdnnJPPdtdJnMPMMdtdJMMMdtdJMaxIdlenntttkmtkmtfkt202)30()30(/)()(602•增加涡轮功–提高涡轮前温度•耐热限制•喘振限制•富油熄火限制–提高膨胀比•调节A8*1**320])(11[)30(tkkttkmamtmgtnnttTpCWWqWqPdnPnJdttMaxIdle•影响加速性的因素–转动惯量–慢车转速–剩余功率加速过程工作线转速、推力~加速时间2.减速过程•dn/dt0,Pt0•减少燃烧室供油，降低涡轮前温度，减少涡轮输出功率•受燃烧室贫油熄火限制•涡扇发动机要受风扇喘振限制3.起动过程•地面起动–0转速到慢车状态–必须靠外动力源分三个阶段I起动机带转II起动机和涡轮共同带转III涡轮单独带转n1–点火转速n’–最小平衡转速n2–起动机脱开转速•空中起动–发动机处于自转状态nn’,在允许范围内点火起动.