1、章章发动机部件工作原理发动机部件工作原理2022-4-302第二章第二章发动机部件工作原理发动机部件工作原理 第一节第一节 气动热力基础气动热力基础 第二节第二节 进气道进气道 第三节第三节 尾喷管尾喷管 第四节第四节 压气机压气机 第五节第五节 涡轮涡轮 第六节第六节 燃烧室燃烧室2022-4-303第六节第六节 燃烧室燃烧室2022-4-304一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 功能功能 燃料与空气掺混燃烧，将燃料化学能转换燃料与空气掺混燃烧，将燃料化学能转换为热能加给气体。为热能加给气体。 环境特点环境特点 进口气流速度高（进口气流速度高（120-180m/s）；）
2、； 工作温度高（核心温度工作温度高（核心温度2500K）；）； 出口气流温度受涡轮叶片的耐热限制，不出口气流温度受涡轮叶片的耐热限制，不能过高；能过高；2022-4-305一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 基本要求：基本要求： 稳定燃烧；稳定燃烧； 可靠工作；可靠工作； 为涡轮提供合理的温度条件；为涡轮提供合理的温度条件；2022-4-306一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 （1）如何保证稳定燃烧？）如何保证稳定燃烧？ 有一句成语：有一句成语：“风助火势，火借风威风助火势，火借风威” 是否是否“风风”越大，火势越旺呢？越大，火势越旺呢？ 生活经验
3、表明，并非如此。生活经验表明，并非如此。2022-4-307一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 （1）如何保证稳定燃烧？）如何保证稳定燃烧？ 基本条件：气流速度基本条件：气流速度=火焰传播速度火焰传播速度 进口气流速度高（进口气流速度高（120-180m/s）；）； 火焰传播速度（不大于火焰传播速度（不大于50m/s）2022-4-308一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 （2）如何保证自身可靠工作？）如何保证自身可靠工作？ 将火焰燃烧区域置于火焰筒内部；将火焰燃烧区域置于火焰筒内部； 燃烧室的所有金属部分不跟核心燃烧区直燃烧室的所有金属部分不跟核心
4、燃烧区直接接触；接接触； 分区燃烧、掺混冷却；分区燃烧、掺混冷却；2022-4-309一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 （3）如何保证涡轮的安全工作温度？）如何保证涡轮的安全工作温度？ 周向如何分布？周向如何分布？ 径向如何分布？径向如何分布？2022-4-3010一、功能、环境特点及基本要求一、功能、环境特点及基本要求 （3）如何保证涡轮的安全工作温度？）如何保证涡轮的安全工作温度？ 周向尽可能分布均匀周向尽可能分布均匀 径向燃气温度最高值一般要求在涡轮叶片径向燃气温度最高值一般要求在涡轮叶片上上1/3处，并非越均匀越好处，并非越均匀越好 叶尖较薄，容易烧坏叶尖较薄，
5、容易烧坏 叶根应力大，温度不能过高叶根应力大，温度不能过高2022-4-3011二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 基本类型基本类型 单管燃烧室单管燃烧室 联管燃烧室联管燃烧室 环形燃烧室环形燃烧室2022-4-3012二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 单管式燃烧室单管式燃烧室 由多个单独燃烧室组成，由多个单独燃烧室组成， 之间用联焰管相联，传焰之间用联焰管相联，传焰 和均压作用和均压作用 每个燃烧室有独立的每个燃烧室有独立的 火焰筒和外套火焰筒和外套2022-4-3013二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 单管式燃烧室单管式燃烧室 优点优点: 实验调试用气少实验调试用气少 便于拆换便
6、于拆换 缺点缺点: 迎风面大迎风面大 出口温度场不均匀出口温度场不均匀 重量大（不能抵抗扭矩）重量大（不能抵抗扭矩）2022-4-3014二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 联管式燃烧室联管式燃烧室 有多个单独火焰筒，有多个单独火焰筒， 共用内、外环形机匣共用内、外环形机匣 联焰管传播火焰联焰管传播火焰2022-4-3015二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 联管式燃烧室联管式燃烧室 优点：优点： 减轻重量和减小迎风面减轻重量和减小迎风面 单独火焰筒便于调试单独火焰筒便于调试 拆换方便拆换方便 缺点：缺点： 出口温度场周向出口温度场周向 不均匀不均匀2022-4-3016二、燃烧室结构形式
7、二、燃烧室结构形式 环形燃烧室环形燃烧室 由由4个同心的圆筒组成，个同心的圆筒组成， 火焰筒为环形火焰筒为环形2022-4-3017二、燃烧室结构形式二、燃烧室结构形式 优点：优点： 与压气机、涡轮的环形通道与压气机、涡轮的环形通道 气动配合好，减少流动损失气动配合好，减少流动损失 出口温度场均匀出口温度场均匀 重量轻、迎风面小重量轻、迎风面小 缺点：缺点： 喷油与进气不易配合喷油与进气不易配合 调试需大型气源调试需大型气源 装拆维护较困难装拆维护较困难2022-4-3018三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件燃烧室工作过程简介燃烧室工作过程简介1、气流扩压减速、气流扩压减速2、喷
8、油雾化、喷油雾化3、点火、点火4、形成燃烧回流区、形成燃烧回流区5、燃烧、燃烧6、掺混冷却、掺混冷却2022-4-3019三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件1、气流扩压减速、气流扩压减速压气机出口气流速度压气机出口气流速度 120180m/s 3045m/s2022-4-3020三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件1、气流扩压减速、气流扩压减速F100F100突扩式扩压器突扩式扩压器2022-4-3021三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件2、喷油雾化、喷油雾化为使燃油在非常短的时间内与气流充分掺混，为使燃油在非常短的时间内与气流充分掺混，达到完全燃烧，靠
9、燃油喷嘴喷入雾状燃油，达到完全燃烧，靠燃油喷嘴喷入雾状燃油，扩大燃料与周围气体的接触面，加快蒸发、扩大燃料与周围气体的接触面，加快蒸发、汽化，形成混气，以利于完全燃烧。汽化，形成混气，以利于完全燃烧。2022-4-3022三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件3.点火点火一般利用外电源，使高压火花塞打火。一般利用外电源，使高压火花塞打火。一般有两个点火器。一般有两个点火器。2022-4-3023三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件4、形成燃烧回流区、形成燃烧回流区气流经火焰筒头部的扰流器，形成一股旋转气流经火焰筒头部的扰流器，形成一股旋转气流，在火焰筒的中心造成低压区，下
10、游气流，在火焰筒的中心造成低压区，下游一部分气流逆流补充，形成回流。一部分气流逆流补充，形成回流。形成稳定的点火源形成稳定的点火源使燃油破膜、雾化、掺混使燃油破膜、雾化、掺混2022-4-3024三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件5、燃烧：、燃烧：分区燃烧室：主燃区、补燃区（中间区）、分区燃烧室：主燃区、补燃区（中间区）、掺混冷却区掺混冷却区2022-4-3025三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件5、燃烧：、燃烧：分不同部位、不同量进气分不同部位、不同量进气2022-4-3026三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件6、掺混冷却、掺混冷却约约40%气流由火
11、焰筒上的微细小孔或缝隙进气流由火焰筒上的微细小孔或缝隙进入，在火焰筒壁形成气膜，保护火焰筒。入，在火焰筒壁形成气膜，保护火焰筒。约约20%气流从后部进入，掺混降温、到达出气流从后部进入，掺混降温、到达出口温度场分布要求。口温度场分布要求。2022-4-3027三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件 火焰筒壁的冷却火焰筒壁的冷却2022-4-3028三、工作过程及主要零组件三、工作过程及主要零组件 火焰筒壁的冷却火焰筒壁的冷却2022-4-3029四、性能参数及特性四、性能参数及特性 燃烧效率：燃烧效率： 大型民用发动机：最高可达大型民用发动机：最高可达0.999 军用发动机：约军用发
12、动机：约0.950.99 影响因素：影响因素： 余气系数余气系数 进气压力进气压力燃烧效率燃烧效率 进气温度进气温度燃烧效率燃烧效率 进气速度进气速度燃烧效率燃烧效率umfamagmgbHqhqhq*2*3完全燃烧放热量实际放热量maTqep30075.1222022-4-3030四、性能参数及特性四、性能参数及特性 总压恢复系数：总压恢复系数： 约约0.90.96 影响因素影响因素 主要因素：进气速度主要因素：进气速度总压恢复系数总压恢复系数 次要因素：燃烧室温升次要因素：燃烧室温升总压恢复系数总压恢复系数燃烧室进口总压燃烧室出口总压b2022-4-3031四、性能参数及特性四、性能参数及特
13、性 油气比油气比mfmaqfq燃油质量流量空气质量流量2022-4-3032四、性能参数及特性四、性能参数及特性 余气系数余气系数 l0 1公斤航空煤油完全燃烧所需理论空气公斤航空煤油完全燃烧所需理论空气量，量， l0 =14.7kg/s 最恰当油气比：最恰当油气比： f0 = 1/ l0 = 0.068 = 1: 最恰当油气比最恰当油气比 1: 富油状态富油状态 （燃油过剩）（燃油过剩） 1: 贫油状态贫油状态 （空气过剩）（空气过剩）001mamfqq lfl实际空气量使燃油完全燃烧所需空气量2022-4-3033四、性能参数及特性四、性能参数及特性 熄火特性熄火特性 燃烧室进口速度过大燃
14、烧室进口速度过大时火焰稳定范围减小，时火焰稳定范围减小，容易熄火或空中起动容易熄火或空中起动时不易点燃时不易点燃 当燃烧室进口气流速当燃烧室进口气流速度超过一定限度，无度超过一定限度，无论余气系数是多少，论余气系数是多少，都无法稳定燃烧都无法稳定燃烧 余气系数余气系数001fllqqmfma2022-4-3034小结小结 亚音速流：亚音速流： 扩张通道：亚音速进气道、超音速进气道扩张通道：亚音速进气道、超音速进气道的扩压段、压气机转子、静子叶栅通道、的扩压段、压气机转子、静子叶栅通道、燃烧室扩压器；燃烧室扩压器； 收缩通道：涡轮导向器叶栅通道、涡轮转收缩通道：涡轮导向器叶栅通道、涡轮转子叶栅通
15、道、收缩型尾喷口，收敛子叶栅通道、收缩型尾喷口，收敛-扩张尾扩张尾喷管的收缩段喷管的收缩段2022-4-3035小结小结 超音速流：超音速流： 扩张通道：收敛扩张通道：收敛-扩张尾喷管的扩张段、涡扩张尾喷管的扩张段、涡轮导向器出口；轮导向器出口； 收缩通道：超音速进气道的超音段；收缩通道：超音速进气道的超音段； 核心要点：核心要点： 压气机通用特性压气机通用特性发动机设计点性能计算（编程作业）大作业大作业压气机燃烧室涡导尾喷口234581090：远前方来流1：进气道进口2：进气道出口3：压气机出口4：燃烧室出口，涡轮导向器进口4a：涡轮导向叶片出口，涡轮转子进口5：涡轮出口8：尾喷管喉部9：尾
16、喷管出口进气道4a涡转冷气冷气大作业大作业s/kg80%842900kJ/kgHukJ/kg.K28706. 0RkJ/kg.K28706. 0R.K1.244kJ/kgc1.3k.K1.005kJ/kgc1.4k0.99gpggpm进口空气流量：量的比例：冷气流量占进口空气流燃油低热值：气体常数：气体常数：燃气定压热容：燃气比热比：空气定压热容：空气比热比：转子机械效率95.0尾喷管总压恢复系数0.89涡轮效率94.0燃烧室总压恢复系数0.99燃烧效率K1500T燃烧室出口总温0.82压气机效率13压气机增压比发动机参数：11H，飞行高度6.1Ma飞行ctbb*4cckmQ工作参数、部件效率
17、或损失系数大作业大作业v大气参数的计算（0截面）)/(4727 .21606.2874 . 16 . 1227. 07 .21611H6 .22615)308.44/1 (10132565.216)5 . 615.288(11H0338. 611002553. 500smcMaVPaepKTkmPaHpKHTkmH气流速度：时：当时：当大作业大作业Pa 96125)6 . 1214 . 11 (22615.12)211 (K57.327)6 . 1214 . 11 (65.216)211 (14 . 14 . 12120*1220*1kkMakppMakTT滞止压力：滞止温度：Q气流滞止参数（
18、1截面）大作业大作业9335. 0) 16 . 1 (075. 0197. 0) 1(075. 0197. 0197. 01)(35. 135. 1MaMaMaii时，时，：由经验公式近似计算进气道总压恢复系数Pa 8973396130*9335. 0327.57K: )(*1*2*1*2ppTTi进气道出口总压：变在绝热管道中，总温不进气道出口总温Q进气道出口参数（2截面）大作业大作业kgTTcLTTpppcckkcc/kJ434)57.327759.4(005. 1)(759.4K82. 0113157.327111166529Pa8973313*2*34 . 114 . 11*2*3*2
19、*3压气机所消耗功：压气机出口总温：压气机出口总压：Q压气机出口参数（3截面）大作业大作业)(1500T1096537)(027159. 0)(*4*3*4*4*3*43 .*33 .*4.3 .已知总温：总压：油气比：根据能量平衡：KPappaTcHuTcTcqqfHuqTqcTqqcbpgbppgamfmfmbampfmampg燃烧室34qmfqm.3aqm4Q燃烧室出口参数（4截面）大作业大作业)f1)(1 ()f1)(1 ()1 (3 .4 .53 .4 .3 .a3 .mammmmmmqqqqqqq流量平衡：3 .mq压气机燃烧室涡导qm.3qm.4 qm.5qm.4a涡转冷气冷气q
20、m.3aqmf PappbKfTcTcfTTTqcTqcTqcapgpaaampgmpgmp1096537)(8 .1430)1)(1 ()1)(1 (*4*4*4*3*4*4*44 .*44 .*33 .涡导出口总压：涡导出口总温：能量平衡：Q涡轮导向器出口参数（4a截面）大作业大作业PappdTTppcKTcfTTcTTTTqcTTqctakktaatapgmpampmaampggg280412)(91044. 311)(1087)1)(1 (1*4*51*4*5*5*4*4*2*3*4*5*2*33 .*5*44 .涡轮膨胀比：由高压转子功平衡：Q涡轮转子出口参数（5截面）大作业大作业3
21、5.1083cV/16.479TRkc5.2615211TT)(609.22112Pa?,1087TT2663919999gg929*9919*9909*5*9*5*9MasmKMakeppkMappKPappgkkgcgg排气速度：尾喷管出口声速：）（尾喷口出口截面静温：假设尾喷管完全膨胀尾喷口出口总温：尾喷口出口总压：Q尾喷口出口参数（9截面）大作业大作业?3600?q)(qqqFF/9989.81)f1)(1 (q.3 .09903 .99 .3 .s3 .5 .9 .FqsfcppAVVskgqqfmmmmmmmm耗油率：单位推力：喷管内的流量Q发动机性能计算大作业大作业v 推导ppt
22、中的(a)(b)(c)(d)(e)式;v 编制一个单轴涡轮喷气发动机设计点性能计算程序，要求：输入给定的发动机状态参数（最好以文件的形式输入），可以正确的得到发动机各截面的总温、总压、质量流量，特征截面的流通面积，发动机推力、单位推力、耗油率，截面参数输出格式可参考下表：截面截面参数总压（Pa）总温（K）流量(kg/s) 流通面积（m2）大气环境-滞止参数-压气机进口假设Ma=0.55燃烧室进口假设Ma=0.3高压涡轮导向器进口-高压涡轮导向器出口假设临界高压涡轮动叶出口-尾喷口出口假设临界大作业大作业v在增压比为1.5-60的范围内，计算单位推力与耗油率随增压比的变化关系，输出格式可参考下表
23、：增压比单位推力耗油率1.522.560大作业大作业v编程作业参考答案截面压力（Pa）温度（K） 流量(kg/s)面积(m2) 油气比速度系数Ma大气环境22615.62216.65-滞止参数96125.74327.5748-压气机进口89733.02327.5748800.50104500.5850570.55燃烧室进口1166529759.409473.60.0875500.3257150.3涡轮导向器进口1096537150075.59891-0.027159涡轮导向器出口10965371430.8181.998910.0718220.02503911涡轮出口280412.41087.00681.99891-0.025039尾喷管出口266391.81087.00681.998910.2576830.02503911飞行速度(m/s)472.1088飞行Ma1.6飞行高度(km)11推力（N）51063.68单位推力（N/kg）638.296耗油率(kg/N.h)0.140923排气速度(m/s)1083.336大作业大作业
