1、1飞机发动机的发展历程：飞机发动机的发展历程：冲压发动机涡轮风扇发动机涡轮喷气发动机涡浆发动机普通的螺旋桨发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机3 喷气发动机是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管五大部件组成。 工作原理：足够量的空气，通过进气道以最小的流动损失顺利地引入压气机；压气机以高速旋转的叶片对空气作功压缩空气，提高空气的压力；高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压的燃气；高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀，推动涡轮旋转，去带动压气机；然后燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气的速度，使燃气以较高的速度喷出，产生推力。 4涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 涡喷发动机
2、的主要结构如上图，空气首先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构：压气机(compressor，或压缩机)。进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。在超音速飞行时，机头与进气道口都会产生激波(shockwave，又称震波)，空气经过激波压力会升高，因此进气道能起到一定的预压缩作用，但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀，甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥，根据空速的情况调节激波的位置。 5 压气机由定子(stator)页片与转子(rotor)页片交错组成，一对定子页片与转子页片称为一
3、级，定子固定在发动机框架上，转子由转子轴与涡轮相连。现役涡喷发动机一般为812级压气机。级数越多越往后压力越大，当战斗机突然做高g机动时，流入压气机前级的空气压力骤降，而后级压力很高，此时会出现后级高压空气反向膨胀，发动机工作极不稳定的状况，工程上称为“喘振”，这是发动机最致命的事故，很有可能造成停车甚至结构毁坏。防止“喘振”发生有几种办法。经验表明喘振多发生在压气机的5，6级间，在次区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。或者将转子轴做成两层同心空筒，分别连接前级低压压气机与涡轮，后级高压压气机与另一组涡轮，两套转子组互相独立，在压力异常时自动调节转速，也可避免喘振。 6
4、 燃烧室与涡轮燃烧室与涡轮 空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧，膨胀做功；紧接着流过涡轮，推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上，所以压气机与涡轮的转速是一样的。最后高温高速燃气经过喷管喷出，以反作用力提供动力。燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室，每个筒都不是密封的，而是在适当的地方开有孔，所以整个燃烧室是连通的，后来发展到环形燃烧室，结构紧凑，但是整个流体环境不如筒状燃烧室，还有结合二者优点的组合型燃烧室。 7喷管及加力燃烧室喷管及加力燃烧室 喷管(nozzle，或称喷嘴)的形状结构决定了最终排除的气流的状态，早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管，以达到
5、增速的目的。根据牛顿第三定律，燃气喷出速度越大，飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的，因为最终气流速度会达到音速，这时出现激波阻止气体速度的增加。而采用收敛扩张喷管（也称为拉瓦尔喷管）能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力，而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管（也称为推力矢量喷管，或向量推力喷嘴）是历史上两种方案，其中后者已经进入实际应用阶段。著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代表是美国的X31技术验证机。 8第六章第六章 气体和蒸汽的
6、流动气体和蒸汽的流动Gas and Steam Flow6-1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式6-2 促使流速改变的条件促使流速改变的条件6-3 喷管计算喷管计算6-4 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流动6-5 绝热节流绝热节流9 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管特别是喷管(nozzle, jet)、扩压管、扩压管(diffuser)及节流阀及节流阀(throttle valve)内流动过程的能量转换情况。内流动过程的能量转换情况。1061 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式一、一、简化简化稳定稳定绝热绝热一维一维可逆
7、可逆参数取平均值参数取平均值11 二、稳定流动基本方程二、稳定流动基本方程 1. 质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程（连续性方程）(continuity equation) 1 f12 f21212mmAcAcqqvvffdddcvAvAcp1T1qm1cf1p2T2qm2cf2fmAcqv122.过程方程过程方程pvvpvp22113.稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation) 2f12sqhcg zw dd0pvpv00sg zqw忽略2221f12f2f1122hchchcffdd0hc c134.声速方程声速方程ssvpvpc2等熵过
8、程中等熵过程中dd0pvpvsppvv 所以所以pvc14注意：注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速。声速是状态参数，因此称当地声速。 0 C1.4 287 273.15331.2m/sc 如空气，如空气，2）fcMac 马赫数马赫数 (Mach number)1Ma 20 C318.93m/sc20 C343m/sc （subsonic velocity）（supersonic velocity）（sonic velocity）亚声速亚声速1Ma 声速声速1Ma 超声速超声速1562 促使流速改变的条件促使流速改变的条件一、力学条件一、力学条件ffddcpcp流动可逆绝热流动可逆绝热能量
9、方程能量方程ffddv pcc 力学条件力学条件ddqhv p2fffddcpv pcpc 2fffddccpppvc 2ff2fddccppcc 2ffddcpMapcffdccdhq16讨论讨论：200Ma喷管喷管扩压管扩压管fcpfpc2）fddfccv p 是压降，是焓是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。（即技术功）转换成机械能。的能量来源的能量来源2ffddcpMapc1）ffddcpcp异号异号2ff12cc17二、几何条件二、几何条件ffddcAcA力学条件力学条件过程方程过程方程2ffddcpMapcddpvpv2ffddcvMacv连续性方程连续性方程ffdddcAvAcv
10、2ffdd1cAMacA几何条件几何条件18讨论讨论：1）A的关系与的关系与Ma有关，对于喷管有关，对于喷管fff)1ddaMacccAcA与异号，即22ffdd11,cvMaMaMacv据ffdddd,0ffdccvAvcvAvc而渐缩喷管渐缩喷管（convergent nozzle）2ffdd1cAMacA19fff)1dd,bMacccAcA与同号ff)1d0cMacccA 截面上截面上Ma=1、cf=c，称，称临界截面临界截面(minimum cross-sectional area) 也称也称喉部喉部(throat)截面截面，临界截面上速度达当地音速临界截面上速度达当地音速(velo
11、city of sound)fcrcrgcrccp vR TcrcrcrpTv称称临界压力临界压力(critical pressure)、临界温度临界温度及及临界比体积。临界比体积。112MaMaffffdddd0ccvAdvcvAvc2ffddcvMacv据2ffdd1cAMacA20归纳归纳： 1）压差压差是使气流加速的基本条件，是使气流加速的基本条件，几何形状几何形状是使流动可逆必是使流动可逆必不可少的条件；不可少的条件；fcrcrcrgcrcp vR T2）气流的）气流的焓焓（即技术功）为气流加速提供能量；（即技术功）为气流加速提供能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；）
12、收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速21 燃气以质量流量 流经一喷管。在喷管入口截面处的压力、温度和流速分别为 在喷管出口截面处压力为 。设流动工质为理想气体且 ，流动过程为可逆绝热过程。试求喷管出口截面处的温度、流速、比体积和截面面积。当地音速为438.22m/s，判断此喷管类型？skgqm/1smcctMPapfo/20,200,392. 0111)/71. 0),/(1KkgkJcKkgkJcvpMPap196. 022263 喷管计算喷管计算一、流速计算及分析一、流速计算及分
13、析1. 计算式计算式注意：注意： a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质； b）式中）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般资料提供，但一般资料提供 h，kJ/kg。2. 初态参数对流速的影响初态参数对流速的影响： 为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。用于实际气体。212122ffchhc23二、流量计算及分析二、流量计算及分析1. 计算式计算式ffmAcqAcv通常通常收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面喉部截面出口截面出口截面23fkg/s;m ;m/s;m
14、/kgmqAcv242. 初参数对流量的影响初参数对流量的影响2 f 22mA cqv12f 2001211pcp vp2002ppvv10210200212ppppvpAqm分析：分析： a）20020, ,/mqfAp vpp25211, ,Ap v20/1pp cr20/1pp20cr/pp20cr/pp20/mqfpp20020, ,/mqfAp vpp确定确定10210200212ppppvpAqmf 20,0mcq20f 2/,mppcq2crf 222,max,mmppccqqf 222,max,mmccqq26 b）结合几何条件和质量守恒方程：结合几何条件和质量守恒方程：图中图
15、中abbc收缩喷管收缩喷管缩放喷管缩放喷管且喷管初参数及且喷管初参数及p2确定后，确定后，喷管各截面上喷管各截面上qm相同，并相同，并不随截面改变而改变。不随截面改变而改变。27三、喷管设计三、喷管设计据据p1，v1，T1背压背压 pb功率功率P喷管形状喷管形状几何尺寸几何尺寸首先确定首先确定pcr与与pb关系，然后选取恰当的形状关系，然后选取恰当的形状初参数初参数1. 外形选择外形选择28292. 几何尺寸计算几何尺寸计算A1往往已由其他因素确定往往已由其他因素确定22f 2mq vAcfmcrcrq vAc喉22min2tgddl太长太长摩阻大摩阻大fd/ dcl过大，产生涡流过大，产生涡
16、流(eddy)太短太短30 四、工作条件变化时喷管内流动过程简析四、工作条件变化时喷管内流动过程简析 喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是造成动喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是造成动能损失。能损失。1.收缩喷管收缩喷管背压背压pb出口截面压力出口截面压力p22bbbppppbbpp cr2bbppppcr2crbpppp运行工况运行工况312. 缩放喷管缩放喷管1）若）若pbpb过度膨胀过度膨胀(over expansion)，产生激波产生激波(shock wave)32例例A4511661例例A451266例例A4513773374 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流
17、动一、摩阻对流速的影响一、摩阻对流速的影响f 20202f 222sSchhhhc定义：喷管速度系数定义：喷管速度系数(velocity coefficient of nozzle)f 2f 2Scc一般在0.920.9834二、摩阻对能量的影响二、摩阻对能量的影响定义：能量损失系数定义：能量损失系数222f 2f 22f 21ssccc 喷管效率喷管效率2202f 22f 2021NNsshhcchh 注意：注意：22f2f212sIcc？35三、摩阻对流量的影响三、摩阻对流量的影响若若p2、A2不变不变f 2f 22222sssccTTvv据据fnmmsAcqqqv例例A451287136
18、75 绝热节流绝热节流一、绝热节流一、绝热节流(adiabatic throttling)定义：由于局部阻力，使流体定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。压力降低的现象。节流现象特点：节流现象特点： 1) p2s1,I=T0sg 3) h1=h2，但节流过程并非，但节流过程并非 等焓过程；等焓过程； 4) T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想气体理想气体T2= T1。37二、节流后的温度变化二、节流后的温度变化 1. 焦耳焦耳-汤姆逊系数（汤姆逊系数（Joule-Thomson coefficient）据据dddppvhcTTvpT令令d0pJphvTvTThpc焦耳焦耳-
19、汤姆逊系数（也称节流微分效应）汤姆逊系数（也称节流微分效应）d0dpvpTTvT节流取决于3800,d0JpvTvTT如理想气体如理想气体21ddd0pppvTvvvTvpvTTTTTT00,d0JpvTvTT00,d0JpvTvTT降温降温升温升温不变不变392. 转回温度转回温度(inversion temperature) 节流后温度不变的状态的温度节流后温度不变的状态的温度把气体的状态方程代入把气体的状态方程代入J表达表达式即可求得不同压力下的转回式即可求得不同压力下的转回温度曲线，转回曲线温度曲线，转回曲线(inversion curve)。例如例如 理想气体转回温度为一直线；理想气
20、体转回温度为一直线； 实际气体，如用范氏方程实际气体，如用范氏方程g2apvbR Tv代入代入J可得可得g21iabTR bv或或gg213122iiR TbR Tbapbaa40若令若令p=0，得，得 ,max,mingg229iiaaTTR bR b3.节流的积分效应节流的积分效应 节流时状态在致冷区则节流时状态在致冷区则T下降，下降， 节流时状态在致温区则节流时状态在致温区则T上升或下降取决于上升或下降取决于p的大小的大小 当气体温度当气体温度TTi,max或或TT12N,max,min0630K100K40MPaiiTTp常温常压下节流常温常压下节流T下降下降41三、水蒸气节流过程三、水蒸气节流过程1）节流后温度稍有下降）节流后温度稍有下降11hh 2）但少作功但少作功 222121hhhhhh作功能力损失作功能力损失22 hhI？0 g011IT sTss四、节流现象的工程应用四、节流现象的工程应用气体液化气体液化发动机功率调节发动机功率调节孔板流量计，干度计孔板流量计，干度计 利用利用J，结合实验，建立实际气体微分方程，结合实验，建立实际气体微分方程热网中蒸汽降压热网中蒸汽降压42例例A652266例题例题A452177下一章下一章
