1、2022年8月2日发动机原理发动机原理讲课教师讲课教师:唐海龙唐海龙讲义:朱之丽2022年8月2日课程特点及教学要求课程特点及教学要求 教学目的和要求教学目的和要求 熟练掌握各种航空发动机的工作原理，性能指标和适熟练掌握各种航空发动机的工作原理，性能指标和适用范围；用范围；掌握发动机特性及其应用条件；掌握发动机特性及其应用条件；了解发动机性能变化原因特点。了解发动机性能变化原因特点。课程特点课程特点 内容多内容多 工程性强工程性强 先、后修关系密切先、后修关系密切 教材教材 航空燃气涡轮发动机（尚义主编）航空燃气涡轮发动机（尚义主编）第二、三、四、六、八（部分）第二、三、四、六、八（部分）20
2、22年8月2日 航空发动机是飞机的航空发动机是飞机的“”ENGINE(引擎引擎)为克服飞行阻力提供推动力为克服飞行阻力提供推动力飞机在发动机推力作用下达到一定速飞机在发动机推力作用下达到一定速度时，机翼才能产生足够的升力。度时，机翼才能产生足够的升力。2022年8月2日可靠的内燃机出现可靠的内燃机出现 1903年莱特兄弟飞上蓝天年莱特兄弟飞上蓝天2022年8月2日喷气发动机成功的使用喷气发动机成功的使用 飞行速度超过声速飞行速度超过声速活塞式活塞式2022年8月2日 飞机的动力装置飞机的动力装置 燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机。以空气为介质的，将热能转换为机械能以空气为介质的，将热能转换为机械能
3、的一种动力装置。的一种动力装置。它于它于1939年首次在德国年首次在德国He178飞机上使飞机上使用。用。广泛应用于：航空、航天、航海、能源、广泛应用于：航空、航天、航海、能源、交通等领域。交通等领域。涉及学科：流体力学、固体力学、热力涉及学科：流体力学、固体力学、热力学、传热学、燃烧学、转子动力学、控学、传热学、燃烧学、转子动力学、控制理论、气动声学等。制理论、气动声学等。2022年8月2日在航空上的应用类型在航空上的应用类型 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 涡轮螺桨发动机涡轮螺桨发动机 涡轮轴发动机涡轮轴发动机 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机2022年8月2日类型发展及演变类型发展及演变 由由
4、5个主要部件组成。个主要部件组成。相比活塞式发动机，推力大、效率高、迎风面小。相比活塞式发动机，推力大、效率高、迎风面小。使人类实现超音速飞行使人类实现超音速飞行 适用范围：超音速飞行的飞机适用范围：超音速飞行的飞机 优点：高速下性能优越优点：高速下性能优越 缺点：低速下经济性差缺点：低速下经济性差2022年8月2日复燃加力涡喷发动机复燃加力涡喷发动机 由由5个主要部件和加力燃烧室组成个主要部件和加力燃烧室组成 适用范围：超音速飞行的飞机适用范围：超音速飞行的飞机 复燃加力使推力增加复燃加力使推力增加5070 扩大飞行包线、提高机动性能；扩大飞行包线、提高机动性能；缺点：加力使发动机经济性更差
5、。缺点：加力使发动机经济性更差。2022年8月2日类型发展及演变类型发展及演变 由由5个主要部件和螺旋桨组成个主要部件和螺旋桨组成 低速飞行时具有优越的经济性低速飞行时具有优越的经济性 适用范围：适用范围：Ma 40000 kgB7772022年8月2日军用涡轮风扇发动机军用涡轮风扇发动机 特点特点小涵道比、混合排气、带加力小涵道比、混合排气、带加力 优点优点加力比大，亚声巡航经济性好加力比大，亚声巡航经济性好 适用适用超音速飞机超音速飞机2022年8月2日军用小涵道比涡扇发动机军用小涵道比涡扇发动机高推重比矢量喷管发动机研制成功高推重比矢量喷管发动机研制成功（F119）高机动性战斗机即将装备
6、部队高机动性战斗机即将装备部队2022年8月2日民用飞机发动机民用飞机发动机G亚音运输机亚音运输机 进一步降低耗油率进一步降低耗油率 超大涵道比、浆扇超大涵道比、浆扇G超音运输机超音运输机 实现环球更快捷飞行实现环球更快捷飞行 低涵道比涡扇发动机低涵道比涡扇发动机 变循环发动机变循环发动机2022年8月2日第四代战斗机的特点第四代战斗机的特点 高敏捷性高敏捷性 隐身性隐身性 短距起飞着陆短距起飞着陆(STOL)能力能力 不加力超声速巡航能力不加力超声速巡航能力2022年8月2日F-22 首飞首飞1997.9.72022年8月2日发动机设计参数变化发动机设计参数变化 设计参数包括：设计参数包括：
7、u压气机增压比：压气机增压比：8 3840u涡轮前温度：涡轮前温度：1200 18502000u加力温度：加力温度：1800 2150u风扇增压比：风扇增压比：区别于军用或民用区别于军用或民用u涵道比：涵道比：区别于军用或民用区别于军用或民用2022年8月2日典型亚音飞机发动机典型亚音飞机发动机型号型号 年代、年代、飞机飞机 增压比增压比 涡轮前涡轮前温度温度 K 涵道比涵道比 起飞起飞 F（N）起飞起飞 SFC WJ5 50s Y7 7.2 1088 2133KW 0.349 JT3D 70s B707 16 1500 1.0 94308 0.51 CFM56-3 80s B737 24.3
8、 1588 6.1 89172 0.35 GE90 90s B777 39.3 1703 8.4 382500 0.278 2022年8月2日典型军用发动机典型军用发动机型号型号年代年代 K*T3*BPR推重比推重比WP7-乙乙六十六十8.8512885.5J79-GE-17 六十六十13.412604.63F404-GE-400八十八十2515890.347.24AL-31 八十八十23.816650.68.17EJ200九十九十2618030.410YF120九十九十252820000.2102022年8月2日 发动机是如何产生推力的发动机是如何产生推力的?各部件是如何工作的各部件是如何工
9、作的?对产生推力起什么对产生推力起什么作用作用?为什么不同类型发动机具有不同的适用为什么不同类型发动机具有不同的适用范围？范围？发动机性能随飞行条件等发生怎样的变发动机性能随飞行条件等发生怎样的变化？化？2022年8月2日第一章第一章燃气涡轮发动机工作原理燃气涡轮发动机工作原理2022年8月2日第一节第一节 涡轮喷气发动机热力循环涡轮喷气发动机热力循环 一、组成一、组成 五大部件组成：五大部件组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管2022年8月2日 附件系统附件系统(燃油、润滑、启动、空气、电气等燃油、润滑、启动、空气、电气等)2022年8月2日 进气道
10、将工质引入进气道将工质引入 压气机增压压气机增压 燃烧室燃烧室喷油燃烧加热喷油燃烧加热 涡轮膨胀作功带动压气机涡轮膨胀作功带动压气机 尾喷管膨胀加速尾喷管膨胀加速 以高速排气到体外以高速排气到体外工作过程工作过程2022年8月2日沿发动机流程参数变化沿发动机流程参数变化二、产生推力的基本原理二、产生推力的基本原理牛顿定律原理：牛顿定律原理：流经发动机的气流受到力的作用产生加速度，流经发动机的气流受到力的作用产生加速度，气流必定产生一个大小相等、方向相反的反气流必定产生一个大小相等、方向相反的反作用力作用于发动机作用力作用于发动机。反作用力反作用力推力推力2022年8月2日三、理想循环三、理想循
11、环 布莱顿（布莱顿（循环，循环，1872年提出。年提出。发动机工作时，不断从外界吸入空气，经过一系列发动机工作时，不断从外界吸入空气，经过一系列热力过程，最后高速喷出，排出气体在外界逐步散热力过程，最后高速喷出，排出气体在外界逐步散失能量最终达到与外界大气平衡，构成一个不断循失能量最终达到与外界大气平衡，构成一个不断循环的过程。环的过程。假设：假设：(1)工质为空气工质为空气；(2)忽略流动损失；忽略流动损失；(3)气流在尾喷管达到完全膨胀。气流在尾喷管达到完全膨胀。2022年8月2日发动机特征截面发动机特征截面2022年8月2日理想循环理想循环 由四个热力过程组成由四个热力过程组成 0 2i
12、：等熵压缩等熵压缩2i 3i：等压加热等压加热3i 9i：等熵膨胀等熵膨胀9i 0：等压放热等压放热2022年8月2日2022年8月2日描述循环过程的参数描述循环过程的参数 增压比增压比 加热比加热比 压缩功压缩功 WC 膨胀功膨胀功 Wp 加热量加热量 q1 放热量放热量 q22022年8月2日增压比增压比 0i2PP2022年8月2日加热比加热比 0i3TT2022年8月2日压缩功和膨胀功压缩功和膨胀功 压缩功压缩功:“a02iba”所包围的面积所包围的面积 膨胀功膨胀功:“a9i3iba”所包围的面积所包围的面积2022年8月2日压缩功与膨胀功压缩功与膨胀功 压缩功压缩功WC 膨胀功膨胀
13、功WP)1(10CpTWc)11(13 CpTWp2022年8月2日加热量加热量q1 大小大小 加热过程加热过程2i3i 以下面积以下面积)(231iiTTCpq2022年8月2日放热量放热量q2)(092TTCpqi 大小大小 放热过程放热过程9i0 以下面积以下面积2022年8月2日 循环功循环功 热效率热效率112121qWqqqWcWpqqWth2022年8月2日理想循环功循环过程所包围的面积理想循环功循环过程所包围的面积2022年8月2日理想循环热效率理想循环热效率理想循环功占加热量的比理想循环功占加热量的比2022年8月2日 如何获得尽可能大的循环功？如何获得尽可能大的循环功？如何
14、获得尽可能高的循环热效率？如何获得尽可能高的循环热效率？2022年8月2日1221190329003221()1()(1)1(1)thpipiiipipiiqqqqqc TTc TTTc TTTc TT 32902309112309302()()9 iiiiiiiiiiiippppppppTTTTTTTT2022年8月2日1201111thiTT 理想循环热效率只与循环增压比有关，理想循环热效率只与循环增压比有关，且与循环增压比成正比。且与循环增压比成正比。2022年8月2日132320100301()1()(1)thpiithiipiWqc TTTTc TTTTTe2022年8月2日01()
15、(1)pWc Tee 理想循环功与循环加热比成正比；理想循环功与循环加热比成正比；存在有使理想循环功达最大的循环增压比，存在有使理想循环功达最大的循环增压比，称为最佳增压比称为最佳增压比 opt。原因：原因：s循环增压比循环增压比1时因热效率为时因热效率为0，循环功为，循环功为0；s循环增压比增高到使循环增压比增高到使 e=时因循环加热量为时因循环加热量为0，循环，循环功再次为功再次为0。2022年8月2日 由理想循环功的公式，求循环功对由理想循环功的公式，求循环功对增压比的偏导数，并令其等于零，增压比的偏导数，并令其等于零，获最佳增压比得：获最佳增压比得：2(1)opt2022年8月2日四、
16、实际循环四、实际循环 各部件损失和热力过程的不可逆性各部件损失和热力过程的不可逆性 组成：组成：多变（不等熵）压缩过程多变（不等熵）压缩过程 不等压加热过程不等压加热过程 多变（不等熵）膨胀过程多变（不等熵）膨胀过程 等压放热过程（当等压放热过程（当P9P0时）时）2022年8月2日实 际 循 环2022年8月2日实 际 循 环2022年8月2日实 际 循 环 循环功循环功 热效率热效率112121qWqqqWcWpqqWth2022年8月2日实 际 循 环 由于热力过程损失的存在：由于热力过程损失的存在：实际循环效率除受增压比影响外，还受加热实际循环效率除受增压比影响外，还受加热比以及压缩过
17、程和膨胀过程效率影响，且比比以及压缩过程和膨胀过程效率影响，且比理想循环热效率低；理想循环热效率低；实际循环功低于理想循环功。实际循环功低于理想循环功。(),(fWfecth(,)(,)thcecefWf 2022年8月2日l为提高为提高循环热效率循环热效率，应尽可能提高，应尽可能提高循环循环增压比增压比；l为提高为提高循环功循环功，应尽可能提高，应尽可能提高循环加热循环加热比比；l存在有存在有最佳增压比最佳增压比，增压比过大将使循，增压比过大将使循环功减小；环功减小；l提高循环加热比，使循环最佳增压比增提高循环加热比，使循环最佳增压比增加；加；l提高部件效率，有利于提高循环功和热提高部件效率，有利于提高循环功和热效率。效率。
