北航航空发动机原理课件 第一章

2010-6-81燃气涡轮发动机特性北京航空航天大学能源与动力工程学院航空推进系硕士学位课教学性质和目的性质硕士学位课目的与地位在航空发动机工作原理及特性等方面打下扎实的理论基础对航空发动机使用中的问题获得一定实际知识为今后从事航空发动机方面工作和研究的奠定基础教学大纲课程主要教学内容简介航空发动机各部件的共同工作航空发动机的控制规律及其选择航空发动机的特性航空发动机过渡工作状态的特点分析使用条件对航空发动机性能影响航空发动机性能数学模型航空推进系统性能航空发动机总体性能技术发展趋势教材现代航空发动机技术与发展（第1－4章）航空发动机发展及需求涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高人类得以实现超声速飞行优点：高速下性能优越缺点：低速下经济性差2010-6-84活塞式喷气式涡轮风扇发动机的出现，再次改变了航空业的面貌军用超音速战斗机涡扇发动机特点：小涵道比设计、混排、带加力优点：加力比大，亚声巡航经济性好适用：超音速飞机民用大型运输机涡扇发动机特点：大涵道比设计、大多采用分开排气优点：起飞推力大、巡航经济性好适用：干线客机、大型运输机2010-6-85航空发动机发展及需求第四代战斗机的特点高敏捷性隐身性短距起飞着陆(STOL)能力不加力超声速巡航能力F-22大型宽体客机超大推力级发动机研制成功—双发宽体客机允许不着陆跨洋飞行GE90－115B推力546千牛B777－300起飞总重351吨A380－空中巨无霸机身长度72.9米翼展宽度79.4米整体高度24.2米目前世界上唯一的全机舱双层客舱、四通道的客机航程约1.5万公里最高时速可达1078.2公里最大载客量为555人Rolls-Royce遄达900发动机基本型的推力为311千牛，四台发动机以符合空客A380-800起飞重量560吨的要求发展型356千牛推力将用于A380最大起飞重量为615吨的型号A380－空中巨无霸B787－空中梦幻飞机GEnx发动机单台推力250-330kN高效快捷、低污染、高舒适性在军用和民用方面有广泛的用途在军用方面，现代战争是立体作战，陆、海、空、天构成一个完整的作战体系，其中采用中小型发动机的直升机、巡航导弹和无人机以及教练机、轻型强击机和轻型运输机等起到十分重要的作用在民用方面，支线客机、通用飞机和直升机以及大型飞机的机载辅助动力装置方面有着广阔的应用前景在地面应用方面，由中小型航空发动机改型的轻型燃气轮机可应用于坦克、舰艇、移动电站、天然气和石油管线泵站世界范围：中小型发动机在生产台数中占的份额接近90%，在销售额的份额中接近60%中小型航空发动机的发展需求电子技术发展，导弹功能提高，使作战方式发生重大变化，对飞机性能提出更高要求：超视距作战、超音速突防、近距格斗、过失速机动、短距或垂直起落，增强生存能力对发动机的要求在Ma=1.4-1.5时发动机有足够大的不加力推力，使飞机实现不加力超音速巡航（突防）在超音速和亚音速发动机有更大的加力推力，以扩大飞行包线范围，改进飞机机动性飞机过失速机动要求发动机提供飞机姿态控制用的矢量推力，必须采用矢量喷管飞机飞行攻角大大增加，要求发动机增加抗畸变能力为增加生存能力提出隐身要求，发动机采取措施降低红外信号未来战斗机对发动机的发展需求F136F135未来战斗机对发动机的发展需求民用客机发动机的发展需求民用飞机发动机的发展需求航空发动机类型发展及演变桨扇发动机介乎于涡扇发动机和涡桨发动机8~10片后掠叶片组成的桨扇由涡轮驱动具有叶型薄、最大厚度位置后移等特点，克服一般螺旋桨在飞行马赫数达到0.65后效率就急剧下降的缺点其经济性优势更适用于巡航马赫数为0.7~0.8的短途运输机未来民用飞机对发动机性能要求亚音运输机进一步降低耗油率超大涵道比超音运输机实现环球更快捷飞行低涵道比涡扇发动机变循环发动机我国大型飞机重大专项国务院常务会议认为研制大型飞机是党中央、国务院作出的重大战略决策，也是全国人民多年的愿望我国航空工业经过50多年的发展，已经具备发展大型飞机的技术和物质基础自主研制大型飞机，发展有市场竞争力的航空产业，对于转变经济增长方式、带动科学技术发展、增强国家综合实力和国际竞争力，加快现代化步伐，具有重大意义我国大型飞机重大专项一个没有大型飞机及其完整的产业体系的国家，就不可能成为真正的经济强国和军事强国大飞机工程能否成功的关键之一是动力问题，必须要立足于国内，自主研制。动力是装备的心脏，最终我国的大飞机要有“中国心”我国航空事业及其在它应用领域的发展也有非常迫切的动力需求C9192014年首飞课程章节第一章：航空燃气涡轮发动机的基本工作原理第二章：燃气涡轮发动机部件工作原理及其特性第三章：各部件共同工作和控制规律第四章：航空燃气涡轮发动机稳态特性第五章：涡喷和涡扇发动机过渡过程性能第六章：航空燃气轮机的使用特性第七章：航空发动机性能数学模型第八章：推进系统性能提高推进系统性能的新技术和新进展2010-6-821第一章航空燃气涡轮发动机的基本工作原理1.1主要类型、组成及工作过程主要类型包括•涡轮喷气发动机•涡轮风扇发动机•涡轮螺桨发动机•涡轮轴发动机2010-6-822组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动压气机尾喷管膨胀加速排气到体外1.涡喷发动机图1-12010-6-8232.涡轮风扇发动机分开排气涡扇组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、外涵道、内外涵尾喷管进气道进气风扇增压气流分为两股内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇和压气机内涵尾喷管膨胀加速排气到体外外涵气流外涵道外涵尾喷管膨胀加速排气到体外图1-22010-6-824混合排气涡扇组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、混合器、尾喷管进气道进气风扇增压气流分为两股内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇和压气机混合器外涵气流外涵道混合器两股气流在混合器中掺混尾喷管膨胀加速排气到体外2.涡轮风扇发动机图1-32010-6-8253.涡轮螺桨发动机组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、减速器、螺旋桨工作过程：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动压气机和螺旋桨尾喷管膨胀加速排气到体外图1-42010-6-8264.涡轮轴发动机组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、功率输出轴、主减速器等进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动压气机和旋翼尾喷管膨胀加速排气到体外图1-52010-6-8275.桨扇发动机（开放转子）组成：与涡桨发动机相类似8~10片后掠叶片组成桨扇具有叶型薄、最大厚度位置后移等特点克服一般螺旋桨在飞行马赫数达到0.65后效率就急剧下降的缺点推进效率较高，优越性保持到飞行马赫数0.8左右更适用于巡航马赫数为0.7~0.8的短途运输机图1-62010-6-8281.2航空燃气轮机的主要性能指标1.有效推力(可用推力)发动机提供的推进飞机向前运动的力，其大小等于流经发动机内、外的气流对发动机各部件表面反作用力的轴向合力，用“FA‖表示。单位：牛顿(N)或拾牛顿(daN)提供推动力的作用：(1)克服阻力(2)飞机达到一定速度机翼产生升力矢量推力*推力可分解为轴向、飞机俯仰和偏航方向的三个推力分量推力公式以涡喷发动机为例取发动机单独安装于短舱的安装形式远前方为“0‖截面短舱进口为“01”截面尾喷管出口为“9‖截面气流流经发动机内、外所产生的反作用力Fout：气流作用于短舱外表面的轴向合力Fin：发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力AinoutFFF2010-6-831FoutdA—短舱外表面微元面积在垂直于轴向方向上的投影；Xf—摩擦阻力因与飞行方向相反，故均为负。901outfFpdAX2010-6-832发动机各部件受力分布2010-6-833Fin：运用动量原理控制体进、出口气流动量变化＝全部轴向力的合力控制体包括：短舱包含的气流和进气道前方一段扩张管流。以气流运动方向为正。Fin与F´in为一对大小相等、方向相反的力。2010-6-8340199000990mminqVqVpApdAFpAFin推导01990009900190000009001019990909000019010()()inmminmmoutfAinoutFqVqVpApdApApdApApdApdApAFqVqVppAppdApdAFpdAXFFF2010-6-836有效推力计算公式99090901900001()()()AmmfFqVqVppAppdAppdAX前三项：发动机内推力，简称推力(F)后三项：称为阻力附加阻力、压差阻力、摩擦阻力（计入极曲线）2010-6-837有效推力计算公式推力附加阻力压差阻力9990901009001()()()mmdpFqVqVppAXppdAXppdA2010-6-838附加阻力从推力定量计算方面：推力公式推导时控制体前端界面取在远前方未受扰动的0截面将0截面到发动机进口01截面之间气流的动量变化也计入了推力必须将多算的部分以阻力的方式扣除附加阻力Xd大小等于发动机进口前“自由”流管表面压力分布P与外界均匀大气压力P0之差对dA的积分亚音速飞行时，发动机进口前“自由”流管压力发布和形状变化影响Xd的大小超音速飞行时，由于激波的出现，波后压力将发生剧烈变化，附加阻力将发生大的变化•亚音速•超音速0100()dXppdA2010-6-840压差阻力（Xp）发动机在安装条件下，外表面用力不同于外界大气压力，因此造成压差阻力压差阻力又分成进气道外阻力和喷管/后体阻力分界点选在发动机短舱或机身的最大直径处进气道外阻力主要是由于进气道唇口外气流分离或外罩存在激波而产生喷管/后体阻力主要是由于外表面外流压力变化而造成01M92010-6-841FA与F“F‖又称为非安装推力“FA‖又称为安装推力对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动较小,可以近似认为:FAF对于超音速飞机在超音速飞行时：FAF阻力不容忽视!9990901009001()()()mmdpAdPFqVqVppAXppdAXppdAFFXX2010-6-842阻力(安装损失)附加阻力因进口气流受发动机工作而有别于均匀外界大气压力而造成的阻力。与飞机飞行状态、姿态，发动机工作状态，进气道调节等因素有关。压差阻力发动机外部绕流压力作用于发动机外表面而形成的阻力。与飞机飞行状态、姿态，发动机工作状态，尾喷管调节等因素有关两项阻力又称为安装损失,除以上影响因素外还与发动机在飞机上的安装位置有关2010-6-843发动机在飞机上的安装位置J-102010-6-844发动机在飞机上的安装位置推进系统安装推力前两项又称为总推力第三项又称为冲压阻力后二项是附加阻力和压差阻力01999909000001()()()AmmFqVppAqVppdAppdA9900000101()()()()ININppdAppdAppdAppdA第一项为进气道外阻力第二项是推进系统中段的压差阻力第三项为喷管/后体阻力01IN2010-6-846推进系统安装推力进气道溢流阻力将附加阻力和进气道外阻力合并，称为溢流阻力00()ISppdA结论：为改进飞机性能应提高推进系统推力，除提高非安装推力外，必须重视减少进气道外阻力和喷管/后体阻力为此应采用飞机/发动机一体化的设计方法，由飞机设计者和发动机设计者共同努力实现2010-6-847涡喷发动机推力