航空燃气涡轮发动机工作原理课件.ppt

1、第一章第一章航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机工作原理工作原理第一章第一章航空燃气涡轮发动机工作原理航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节第一节 涡轮喷气发动机热力循环涡轮喷气发动机热力循环 第二节第二节 推力公式推力公式 第三节第三节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求 第四节第四节 能量转换与效率能量转换与效率 第五节第五节 发展方向发展方向2022年6月6日2第二节第二节 推力公式推力公式一、有效推力及推力分布一、有效推力及推力分布发动机提供的推进飞机向前运动的力，其大小等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于流经发动机内、外的气流对发动

2、机各部件表面反作用力的轴向合力，用作用力的轴向合力，用“Feff”表示。表示。提供推动力的作用：提供推动力的作用：(1) 克服飞行阻力克服飞行阻力(2) 飞机达到一定速度机翼产生升力飞机达到一定速度机翼产生升力(3) 矢量推力矢量推力俯仰（偏航）力矩俯仰（偏航）力矩推力分布推力分布2022年6月6日3二、推力公式推导二、推力公式推导 取发动机单独安装于短舱的安装形式取发动机单独安装于短舱的安装形式 远前方为远前方为“0”截面截面 短舱进口为短舱进口为“01”截面截面 尾喷管出口为尾喷管出口为 “9”截面截面2022年6月6日4二、推力公式推导二、推力公式推导 气流流经发动机内、外所产生的反作用

3、力：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发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力2022年6月6日5outineffFFF二、推力公式推导二、推力公式推导 Fout dA 短舱外表面微元面积在垂直于轴向短舱外表面微元面积在垂直于轴向 方向上的投影；方向上的投影； X f 摩擦阻力摩擦阻力 因与飞行方向相反，故均为负。因与飞行方向相反，故均为负。2022年6月6日6foutXpdAF901二、推力公式推导二、推力公式推导 Fin 动量定理：动量定理：控制体进、出口气流动量变化

4、全部轴向力的合力控制体进、出口气流动量变化全部轴向力的合力 控制体控制体包括：短舱包含的气流和进气道前包括：短舱包含的气流和进气道前方一段扩张管流。方一段扩张管流。2022年6月6日7019000990mgmainq Vq Vp ApdAFp A二、推力公式推导二、推力公式推导 Feff2022年6月6日8in019900099001effoutmgmafFFFq Vq Vp ApdAp ApdAX9009000p dAp Ap A9000090=p Ap dAp A二、推力公式推导二、推力公式推导 Feff2022年6月6日9in019900099001effoutmgmafFFFq Vq

5、Vp ApdAp ApdAX9090901900001()()()mgmafq Vq Vpp App dApp dAX推力阻力附加阻力压差阻力摩擦阻力二、推力公式推导二、推力公式推导 推力推力 附加阻力附加阻力 压差阻力压差阻力 摩擦阻力摩擦阻力2022年6月6日1090909()mgmaFq Vq Vpp A0100()aXpp dA9001()pXpp dAfX二、推力公式推导二、推力公式推导 Feff与与F 对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动较小较小,可以近似认为可以近似认为: Feff F 对于超音速飞机在超音速飞行时激波的出对于超音速飞机在超音速

6、飞行时激波的出现，现，Feff F 三项损失不容忽视三项损失不容忽视!2022年6月6日11fpaeffXXXFF二、推力公式推导二、推力公式推导 Feff与与F 安装位置安装位置 飞机机体设计必须与发动机工作相匹配，飞机机体设计必须与发动机工作相匹配，以减小安装损失。以减小安装损失。2022年6月6日12fpaeffXXXFF安装推力非安装推力安装损失二、推力公式推导二、推力公式推导 推力推力2022年6月6日13)()(09090990909VVqFqqVqVqFppAppVqVqFmamamgmamgamgm发动机推力空气流量发动机推力空气流量 进排气速度差进排气速度差第一章第一章航空燃

7、气涡轮发动机工作原理航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节第一节 涡轮喷气发动机热力循环涡轮喷气发动机热力循环 第二节第二节 推力公式推力公式 第三节第三节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求 第四节第四节 能量转换与效率能量转换与效率 第五节第五节 发展方向发展方向2022年6月6日14第三节第三节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求一、性能指标一、性能指标1、推力、推力 单位：单位：N、daN、kgf2022年6月6日1590909()mgmaFq Vq Vpp AmFpF一、性能指标一、性能指标1、推力（动量变化）、推力（动量变化） 空气：空气： 燃油：燃油： 大涵道比（民用）涡扇大涵道

8、比（民用）涡扇 燃油燃油/空气空气 几几/ 小涵道比（军用）涡扇小涵道比（军用）涡扇 燃油燃油/空气空气 几几/%2022年6月6日1690()amaFqVV9(0)fmfFqV90mafmgmaFFFq Vq Vmamfqq排出燃气流量排出燃气流量排出进口空气流量排出进口空气流量一、性能指标一、性能指标1、推力（压力变化）、推力（压力变化）2022年6月6日179909pFp Ap A一、性能指标一、性能指标1、推力、推力推力：推力：尾喷管完全膨胀：尾喷管完全膨胀：p9=p0忽略进出口流量差异忽略进出口流量差异 qmg=qma2022年6月6日1890909()mgmaFq Vq Vpp A

9、)(09vvqFma一、性能指标一、性能指标1、推力、推力如果如果v0=0，则为地面台架试验，则为地面台架试验 F119 qma=125kg/s v9=1200m/s F=150000N2022年6月6日199vqFma一、性能指标一、性能指标 示例：示例： 进行发动机地面台架试车，其中发动机进进行发动机地面台架试车，其中发动机进口流量口流量100kg/s，进口速度，进口速度120m/s，排气速，排气速度度800m/s，尾喷管完全膨胀，则发动机产，尾喷管完全膨胀，则发动机产生的推力是多少？生的推力是多少？ A 68000N B 80000N2022年6月6日20一、性能指标一、性能指标1、推力

10、、推力发动机推力大小仅仅反映飞机的推力需求，发动机推力大小仅仅反映飞机的推力需求，不能反映不同推力级发动机之间的性能优劣不能反映不同推力级发动机之间的性能优劣例如例如:GE90(BY777) F=392000N, qma=1420kg/s D=3.524mwp-11(无人机无人机) F=8500N, qma=13kg/s D=0.3m2022年6月6日21一、性能指标一、性能指标2、单位推力、单位推力单位：单位：N s/kg每秒钟流过发动机的每公斤空气产生的推力每秒钟流过发动机的每公斤空气产生的推力.忽略进出口流量变化，完全膨胀：忽略进出口流量变化，完全膨胀：又进行地面台架试验：又进行地面台架

11、试验：2022年6月6日22smaFFq90sFVV9sFV一、性能指标一、性能指标2、单位推力、单位推力大涵道比民用涡扇：大涵道比民用涡扇：300高性能小涵道比军用涡扇：高性能小涵道比军用涡扇：700-1200单位推力越大，迎头面积越小。单位推力越大，迎头面积越小。2022年6月6日23一、性能指标一、性能指标3、推重比、推重比FW = F / W 无量纲量无量纲量 综合性指标：综合性指标：反映气动热力循环的设计水平（如高单位推反映气动热力循环的设计水平（如高单位推力），反映结构设计水平。力），反映结构设计水平。 统计：统计：W增加增加1kg导致飞机导致飞机重量增加重量增加2.5kg。202

12、2年6月6日24一、性能指标一、性能指标3、推重比、推重比 J473 F1008 F11910 飞机推重比将直接影响飞机性能（最大平飞机推重比将直接影响飞机性能（最大平飞速度、升限、有效载荷和机动性、作战飞速度、升限、有效载荷和机动性、作战半径等）半径等） 先进战斗机推重比先进战斗机推重比1.11.152022年6月6日25一、性能指标一、性能指标4、单位迎面推力、单位迎面推力F A= F / A 单位：单位：N/m2 发动机短舱安装，其迎面面积的大小，决发动机短舱安装，其迎面面积的大小，决定了发动机外部阻力大小。定了发动机外部阻力大小。 涡喷发动机涡喷发动机 F A 约为约为80-100kN

13、/m22022年6月6日26一、性能指标一、性能指标5、耗油率、耗油率 单位：单位：kg/h N或或kg/h daN 产生产生1牛顿推力每牛顿推力每1小时消耗的燃油量小时消耗的燃油量 经济性指标经济性指标2022年6月6日27smfFfFqsfc36003600m fm aqfq油气比油气比一、性能指标一、性能指标 示例：示例： F119发动机发动机 qmf = 7.2kg/s（每小时耗油（每小时耗油25920kg） 推力推力150000N 耗油率：耗油率：0.173 kg/h N2022年6月6日28一、性能指标一、性能指标 小结小结1、推力、推力 F2、单位推力、单位推力Fs3、推重比、推

14、重比 Fw4、单位迎面推力、单位迎面推力 FA5、耗油率、耗油率 sfc2022年6月6日29二、使用性能要求二、使用性能要求1. 起动迅速可靠起动迅速可靠(地面、空中）地面、空中） t = (30-60 s) 2. 加、减速性能好加、减速性能好 指发动机转子转速迅速增加或减小，使发指发动机转子转速迅速增加或减小，使发动机推力迅速加大或减小的能力。动机推力迅速加大或减小的能力。 t = (5 - 15 s)2022年6月6日30二、使用性能要求二、使用性能要求3.工作稳定、可靠性好工作稳定、可靠性好 使用中避免发生：熄火、超温、超转、喘振等使用中避免发生：熄火、超温、超转、喘振等 结构完整性结

15、构完整性 安全可靠安全可靠 事故率：发动机故障引起飞行事故次数事故率：发动机故障引起飞行事故次数/10万小时万小时 空中停车率：空中停车次数空中停车率：空中停车次数/工作千小时（工作千小时（IFSD） 返修率（返修率（Shop Visit Ratio / 1000hr） 平均无故障时间平均无故障时间(Meaning Time Between Faults) 2022年6月6日31二、使用性能要求二、使用性能要求4.寿命长寿命长 两次返修之间发动机工作小时数两次返修之间发动机工作小时数 军用军用: 100-400小时小时 民用民用:上千上千-上万小时上万小时5.其他其他 可维修性、低成本、低排放

16、污染、低噪音等可维修性、低成本、低排放污染、低噪音等2022年6月6日32三、基本要求三、基本要求 高推重比（高单位推力）高推重比（高单位推力） 低耗油率低耗油率 高稳定可靠性高稳定可靠性 低成本低成本 低污染低污染2022年6月6日33第一章第一章航空燃气涡轮发动机工作原理航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节第一节 涡轮喷气发动机热力循环涡轮喷气发动机热力循环 第二节第二节 推力公式推力公式 第三节第三节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求 第四节第四节 能量转换与效率能量转换与效率 第五节第五节 发展方向发展方向2022年6月6日34第四节第四节 能量转换与效率能量转换与效率 一、能量转换

17、一、能量转换航空发动机是（热机航空发动机是（热机+推进器）的组合体推进器）的组合体 热机热机 热能热能 机械能机械能 热效率热效率 推进器推进器 机械能机械能 推进功推进功 推进效率推进效率 组合体组合体 热能热能 机械能机械能 推进功推进功 总效率总效率2022年6月6日35二、热效率二、热效率2022年6月6日36229000-2=thVVWqq有效功热量三、推进效率三、推进效率 单位时间发动机对飞机所做推进功单位时间发动机对飞机所做推进功 发动机每公斤工质单位时间对飞机发动机每公斤工质单位时间对飞机所作推进功所作推进功 推进效率定义：推进效率定义：2022年6月6日370FV0sFV09

18、00022990090()2212spF VVV VVVVVWVVV三、推进效率三、推进效率 两种极端情况两种极端情况 当当V0=0时，时， p= 0 当当V9 = V0时，时， p =1 （但（但Fs= V9 V0 0） V9 V0 0 p 1 （0.50.75） 有效功有效功 推进功的转换必有推进功的转换必有“损失损失”2022年6月6日380900022990090()2212spF VVV VVVVVWVVV三、推进效率三、推进效率 损失损失 = 有效功有效功 推进功推进功 = 绝对坐标系中气流以绝对速度绝对坐标系中气流以绝对速度(V9 V0)排出排出发动机所带走的能量，称为发动机所带

19、走的能量，称为“余速损失余速损失” 若若V0 =0，则全部可用能以动能，则全部可用能以动能 的形式的形式损失在空间，不产生推进功。损失在空间，不产生推进功。2022年6月6日39209)(21VV 292V三、推进效率三、推进效率 思考题思考题 发动机做地面台架试验，发动机做地面台架试验，F=10000N，V9=500m/s，推进功和效率分别是多少？，推进功和效率分别是多少？ V0=0，推进功，推进功=0，推进效率，推进效率=02022年6月6日40四、总效率四、总效率 发动机作为发动机作为“热机热机+推进器推进器”的效率。的效率。 经济性指标，经济性指标，0.20.3 提高总效率途径提高总效

20、率途径1、提高热效率，改善循环参数（提高、提高热效率，改善循环参数（提高 、 ，高效率部件）高效率部件）2、提高推进效率（减少、提高推进效率（减少V9 V0 ）2022年6月6日41000sthpFVq 推进功总加热量3T*四、总效率四、总效率 总效率与耗油率的关系总效率与耗油率的关系飞行速度一定时，总效率与耗油率成反比飞行速度一定时，总效率与耗油率成反比飞行速度变化时，只能用总效率表示经济性飞行速度变化时，只能用总效率表示经济性飞行速度为零时，只能用耗油率表示经济性飞行速度为零时，只能用耗油率表示经济性2022年6月6日4200000000360036003600susuuF Vfsfcqf

21、HqFVc MH sfcH sfc四、总效率四、总效率2022年6月6日43 对于涡喷发动机存在矛盾对于涡喷发动机存在矛盾 涡喷发动机将热力循环获得的涡喷发动机将热力循环获得的机械能全部转换为气体的动能机械能全部转换为气体的动能增量，进、排气速度差大，可增量，进、排气速度差大，可提高热效率和增加推力提高热效率和增加推力 但排气速度差大，推进效率低但排气速度差大，推进效率低，总效率低经济性差，耗油率，总效率低经济性差，耗油率高高 能否在不降低发动机热效率的条能否在不降低发动机热效率的条件下，提高推进效率，改善低速件下，提高推进效率，改善低速飞行条件下的总效率降低耗油率飞行条件下的总效率降低耗油率

22、？ 其他类型发动机其他类型发动机02290090902()21thpthmapVVqFqVVVV四、总效率四、总效率 作业：作业： V0=300m/s , V9=600m/s , qma=100kg/s, qmf=1kg/s，Hu=42900kJ/kg，求求 th 、 p 、 0 。2022年6月6日44第一章第一章航空燃气涡轮发动机工作原理航空燃气涡轮发动机工作原理 第一节第一节 涡轮喷气发动机热力循环涡轮喷气发动机热力循环 第二节第二节 推力公式推力公式 第三节第三节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求 第四节第四节 能量转换与效率能量转换与效率 第五节第五节 发展方向发展方向2022年

23、6月6日45第五节第五节 发展方向发展方向 要求：高单位推力、低耗油率要求：高单位推力、低耗油率 单位推力、耗油率与热力循环关系单位推力、耗油率与热力循环关系2022年6月6日46902290020002236003600sthssusFVVVVWqFWVVqfsfcFH F第五节第五节 发展方向发展方向提高提高加热比加热比 （即（即T3*），可有效提高循环功，因此），可有效提高循环功，因此提高单位推力，但同时使耗油率增加；提高单位推力，但同时使耗油率增加；提高压气机提高压气机增压比增压比 k，可提高热效率，降低耗油率，可提高热效率，降低耗油率，但导致单位推力下降；，但导致单位推力下降；为获得

24、高单位推力和低耗油率，为获得高单位推力和低耗油率，随随T3*的提高，相应的提高，相应提高压气机增压比提高压气机增压比2022年6月6日472000020002(1)(1)36002(1)(1)suFCpTeVVeCpTesfcHCpTeVVe*301TTe第五节第五节 发展方向发展方向2022年6月6日48典型亚音速飞机发动机典型亚音速飞机发动机第五节第五节 发展方向发展方向2022年6月6日49典型军用发动机典型军用发动机第一章第一章 小结小结 推力的产生及推力公式推力的产生及推力公式 性能指标性能指标 热力循环及循环分析结果热力循环及循环分析结果 循环功、热效率与循环增压比、加热比的关系循

25、环功、热效率与循环增压比、加热比的关系 三个效率（三个效率（ th、 p、 0 ）的定义、能量转）的定义、能量转换、损失换、损失 发动机的发展方向发动机的发展方向 为提高发动机推重比（单位推力），提高燃烧为提高发动机推重比（单位推力），提高燃烧室出口温度室出口温度T3* 为降低耗油率，提高压气机增压比为降低耗油率，提高压气机增压比 k *作业作业1、发动机推力与有效推力存在有什么区别、发动机推力与有效推力存在有什么区别?有效推有效推力公式中的三项阻力与哪些因素有关力公式中的三项阻力与哪些因素有关?内推力大小与内推力大小与哪些因素有关？哪些因素有关？2、对于歼击机用发动机，为什么将高推重比作为追

26、、对于歼击机用发动机，为什么将高推重比作为追求目标？提高发动机涡轮前温度为什么可以提高发求目标？提高发动机涡轮前温度为什么可以提高发动机推重比？动机推重比？3、评定发动机经济性的指标有哪些？改善这些指标、评定发动机经济性的指标有哪些？改善这些指标对于作战飞机和民用运输飞机各有什么意义？发动对于作战飞机和民用运输飞机各有什么意义？发动机增压比与经济性指标有什么关系？机增压比与经济性指标有什么关系？2022年6月6日512022年6月6日522022年6月6日53安装位置安装位置2022年6月6日54安装位置安装位置2022年6月6日55涡轮前温度对单位性能的影响涡轮前温度对单位性能的影响增压比对单位性能的影响增压比对单位性能的影响