航发原理第五章

第五章涡轮喷气发动机的特性5-1、获取发动机特性的方法获得特性的方法试验方法：地面试车台，高空试车台，飞行试车台。特点：投资大、周期长，但是必须具备的，尤其在强度、寿命及结构等方面是无法替代的过程。计算方法：数值仿真。特点：可以确定新设计发动机的特性，耗费人力、资金较少。确定发动机工作状态的参数确定发动机工作状态的参数是：飞行马赫数：M0相似转速：n/√(T1*)实际上，当高度H、发动机转速n以及飞行马赫数M0给定时，飞行马赫数M0和相似转速n/√(T1*)就唯一确定。因此，确定发动机工作状态的物理参数是：大气高度H：P0，T0飞行马赫数：M0发动机转速：n发动机特性按参数类型分类按确定发动机工作状态的参数类型可将发动机特性分为速度特性，转速特性及高度特性。速度特性：H=const，n=const，改变M0，在一定调节规律下，研究发动机的推力F和耗油率sfc的变化规律。转速特性：H=const，M0=const，改变n，在一定调节规律下，研究发动机的推力F和耗油率sfc的变化规律。高度特性：n=const，M0=const，改变H，在一定调节规律下，研究发动机的推力F和耗油率sfc的变化规律。推力随速度变化规律*3131400)TK*k.d涡轮喷气发动机的速度特性曲线（，1.推力F起初在所有的高度上随M0数增加变化平缓，有时还略有降低，之后开始上升并在某一飞行速度下达到最大，过后迅速下降直至为零。2.随着高度H的增加，最大推力在减小，但最大飞行马赫数增加。耗油率随速度变化规律3.耗油率sfc在所有高度上都随M0数的增大而增长。但在最大推力之前增长速度平缓，而在到达最大推力之后则迅速增长。*3131400)TK*k.d涡轮喷气发动机的速度特性曲线（，推力曲线变化关系参数分析方法由推力计算方法可得：F=Fs*qm。因此推力F随M0的变化规律取决于单位推力Fs和流量qm随M0的变化规律。假定：压气机中等压比，调节规律n=const，T3*≈const，尾喷管完全膨胀。流量参数分析流量：压比：结论：进气道冲压升i=P1*/P0导致流量qm总是随着M0的增加而增加。*3*2*3*3TqAPkTqAPkqtttbmtttmm1******2*0221120***01000111*2,0011212ikikdPPPPPPMPPPPPPM单位推力参数分析单位推力：发动机喷管排气速度V9随飞行速度V0的增加而增加，但速度的增加量（V9-V0）随飞行速度V0的增加而始终单调地减小，也就是说单位推力Fs随飞行速度V0的增加而减小，直到为零。2290000(1)1*21,0012(1)12cpspcikdaeFVVCTVVeeM参数曲线变化分析1.流量qm、供油量qmf、排气速度V9都随飞行马赫数M0的增加而增长的，但流量增长得最快，尤其在超音速阶段。2.燃烧室加热量q0、单位推力Fs随飞行马赫数M0的增长始终是减小的，但单位推力减小的更快些。0*3131400)MTK*k.d涡轮喷气发动机的特性参数对变化曲线（；；H=11Km推力曲线变化规律1.在起飞或低飞行M01.0时，流量增长并不很快，单位推力的下降抵消了流量的增长，因此推力在开始阶段增长较慢甚至还有所下降。单位推力和流量随飞行马赫数的变化关系决定了推力的变化规律。推力曲线变化分析2.在超音速阶段，流量增长相当快，对推力起主要影响作用。因此在这一阶段，推力快速增长达到一最大值后，单位推力下降因素开始起作用，随着飞行马赫数进一步提高，推力急剧下降，直至为零。耗油率参数分析1.由图可以看出，对每千克气体的加热量q0和单位推力Fs随飞行马赫数M0的变化趋势是一样的，都呈现出下降的变化关系，但下降的速度不一样，其中单位推力Fs下降的快一些；由公式sfc=3600q0/（bHuFs）可知，影响耗油率sfc的参数是加热量q0和单位推力Fs。2.加热量q0和单位推力Fs这两个变量变化关系导致耗油率sfc随飞行马赫数M0的提高而增加。当推力F在高马赫数下急剧下降时，燃油消耗率急剧上升。耗油率曲线变化规律sfc=3600q0/（bHuFs）速度特性与发动机经济性关系00*3.,131400epdMTK*k.d涡轮喷气发动机的和随变化曲线（，）sfc随M0的增大总是上升的，并不意味着发动机经济性的恶化，发动机经济性总是由总效率0来说明的，上图说明总效率存在最经济马赫数且处在超音速阶段。sfc=3600V0/（Hu*0）=3600(a0*M0)/（Hu*0）00*3.,131400epdMTK*k.d涡轮喷气发动机的和随变化曲线（，）主要设计参数对速度特性的影响1）设计压比kd*对发动机特性的影响低设计压比：曲线斜率大a）起始单位推力小但增长速度快，b）流量增长的快，结论：低速性能差，高速性能好。高设计压比：曲线斜率小a）起始单位推力大但增长速度慢，b）流量增长的慢，结论：低速性能好，高速性能差。*3*3.(1400(16)dTKT*k.d*k.d发动机的设计参数对涡轮喷气发动机速度特性曲线分布的影响a--；H=11Km)b--；H=11Km主要设计参数对速度特性的影响*3*3.(1400(16)dTKT*k.d*k.d发动机的设计参数对涡轮喷气发动机速度特性曲线分布的影响a--；H=11Km)b--；H=11Km2）涡轮前温度T3d*对发动机特性的影响在同样飞行M0数下，增大T3d*，推力增大。提高T3d*，最大飞行马赫数加大，飞行速度范围增加。结论：提高T3d*不仅能提高涡轮喷气发动机的推力而且能扩大飞行马赫数范围。调节规律对速度特性的影响低马赫数范围内，差别并不明显，但在高马赫数时，调节规律有较大影响。依据压气机共同工作线的分析过程图-a低设计压比kd*=4采用n=const、A9=const调节规律，T3*下降导致推力增长速度小采用n=const、T3*=const调节规律，推力增长速度相对快一些。依据压气机共同工作线的分析过程图-b高设计压比kd*=12。高设计压比变化规律同低设计压比变化规律正好相反。1.采用n=const、A9=const调节规律，T3*增加导致推力增长较快，2.采用n=const、T3*=const调节规律，推力增长但相对慢一些。速度特性曲线的作用速度特性的作用：在某高度下计算发动机的最大平飞速度和剩余推力，用来计算飞机机动飞行时的加速度及最大飞行马赫数。涡轮喷气发动机的高度特性及基本变化规律在飞行马赫数M0=const，给定发动机调节规律，发动机的推力和耗油率随飞行高度的变化关系称为高度特性。假定：压气机中等压比，调节规律：n=constT3*≈const高度特性1.由图可得，发动机推力F随高度的增加迅速地减小，到达11公里同温层位置时，推力F下降了近50%。2.耗油率sfc随高度上升呈现出下降变化趋势，但下降速度相对慢些。在到达同温层位置后，sfc不在变化。工作参数随高度变化特点主要参数随高度曲线变化关系同温层，顾名思义为温度不再变化的大气层，以离地面11公里为分界线。参数分析1.在同温层以下，大气温度T0随高度H的上升而下降，相似转速n/√(T1*)随高度上升而增加，导致压气机压比k*以及加热比=T3*/T0上升；2.总压比=P2*/P0上升，发动机热效率t=（q0-q1）/q0提高，可用能量增加，喷管出口排气速度V9增大。因此，单位推力Fs=V9-V0随高度H上升而上升。参数分析3.流量qm总是随着密度r0下降而减少，在同温层内大气温度T0不变，流量与密度r0同速度下降。4.因T2*下降，燃烧室对每千克气体的加热量q0=Cp*(T3*-T2*)增加，发动机可用能量进一步提升。**32**33tttbtttmmmPAqPAqqkkTT参数分析5.到达同温层后，由于大气温度T0不在变化，当考虑高度特性飞行马赫数M0及转速n不变条件时，相似转速n/√(T1*)不在改变，压比k*不再变化，因而加热量q0、单位推力FS及加热比等工作参数不再变化，但流量qm随高度H增加继续减小而且同大气密度r0减小的速度相同。高度特性分析1.随着高度H增加，大气压力P0和密度r0总是在减小，导致进入发动机的流量qm在下降，因此单位推力和流量之间的相互关系决定推力F=Fs*qm的变化规律。2.耗油率sfc=3600q0/xbHuFs则由加热量q0和单位推力Fs的比值关系决定其变化规律。5-3、涡轮喷气发动机的飞行包线根据发动机的速度特性和高度特性计算出飞机的飞行包线。由最大飞行高度，最大飞行M0max数，最小飞行M数及最大动压头qmax组成。最大飞行马赫数和最大动压头由飞机的机械强度决定。2200max0022CKqMrr最大动压头表达式：5-4、涡轮喷气发动机的转速特性飞行马赫数M0和高度H不变，给定调节规律，发动机推力和耗油率随转速变化的规律称转速特性，或节流特性。发动机的基本工作状态：1.最大状态：推力为：F=Fmax，一般只适用于起飞、短时间加速或获得最大平飞速度。2.额定状态：推力为：F=Fmax*（85～90）％，歼击机发动机的主要工作状态、民航飞机爬高过程。发动机基本工作状态3.巡航状态：推力为：F=Fmax*（50～80）％，长时间、远距离飞行时发动机主要工作状态。4.慢车状态：推力为：F=Fmax*（3～5）％，常用于着陆、滑行和地面检查，由于涡轮前温度高故不能长时间使用。涡轮喷气发动机的转速特性基本变化规律几何面积（A9）不可调的涡轮喷气发动机转速特性1.当发动机的转速从设计转速下降时，发动机的推力F呈急剧下降发展态势。2.图中虚线表示压气机喘振裕度小于最小允许值，如不采取措施，发动机将要进入不稳定工作。耗油率转速特性3.耗油率sfc先有所下降，在某相似转速（图中ncor=0.85）时达到最小值后，随发动机转速的下降开始增大，一直到喘振边界。转速特性基本分析方法1.在发动机几何不变A9=const调节规律下，发动机的参数沿着t*=const的共同工作线变化，发动机的转速特性在压气机特性图上可用共同工作线表示；2.所有影响发动机共同工作线的因素都影响发动机的转速特性。转速特性参数分析流量分析：从压气机共同工作线来看，流量系数q(1)大致和转速n成正比变化，即流量可近似表示：单位推力：必须了解P4*和T4*随转速n的变化关系才能决定。*mqconstn''1'*094*42[1()]pePVCTP涡轮前、后温度（T3*，T4*）随转速n变化分析mtktenconstT***2*311*'**3*1(1)tpttWCTe***2433'tpWTTTnC常数*2*',*kkadkknconstWWmtkWW*分析过程若发动机几何不变，即A9=const，发动机工作点应该在t*=const线移动。由T3*公式可以看出，T3*同转速的平方成正比，同组合效率（k*t*m）成反比。若发动机工作点离开设计点不远，则效率变化不会太大，因此，T3*随转速的平方关系下降。***2433'tpWTTTnC常数mtktenconstT***2*311*分析过程当工作点离开设计点较远时，组合效率k*t*m开始下降，这样T3*随转速下降的程度会减慢；当组合效率下降很多时，T3*不降反升。组合效率k*t*m下降、气动损失增加使得发动机要付出更多的燃油。喷管出口速度V9分析涡轮出口总压和总温决定喷管出口速度V9。尽管低转速时涡轮出口温度T4*由于T3*上升而上升，但并不意味着发动机喷管出口会有更大的速度。转速n下降使压气机压比k*下降，发动机热效率t减