第2讲(第1章) (2).ppt

航空燃气涡轮发动机原理 屠宝锋南京航空航天大学能源与动力学院2013年9月 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 2 第一章绪论 内容 1 2涡轮喷气发动机工作原理 要求 通过本讲 了解航空燃气涡轮发动机 以涡喷发动机为典型代表 的组成 各部件的功能 工作原理 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 3 1 2涡轮喷气发动机工作原理 涡轮喷气发动机组成进气道 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管及燃油 滑油系统 空气及动力系统 附件系统 组成 对于加力式涡喷发动机还有加力燃烧室 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 4 1 2涡轮喷气发动机工作原理 不同形式的进气道 轴对称进气道 二元进气道 T50 J11 幻影 SR71 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 5 1 2涡轮喷气发动机工作原理 不同形式的进气道 A 10 鹞式 B777 C 17 皮托式进气道 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 6 1 2涡轮喷气发动机工作原理 风扇 高压压气机 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 7 1 2涡轮喷气发动机工作原理 风扇 增压压气机 高压压气机 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 8 1 2涡轮喷气发动机工作原理 燃烧室 管型燃烧室 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 9 1 2涡轮喷气发动机工作原理 燃烧室 管环型燃烧室 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 10 1 2涡轮喷气发动机工作原理 燃烧室 环型燃烧室 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 11 1 2涡轮喷气发动机工作原理 涡轮 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 12 1 2涡轮喷气发动机工作原理 尾喷管 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 13 1 2涡轮喷气发动机工作原理 涡轮喷气发动机组成简图 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 14 1 2涡轮喷气发动机工作原理 进气道 把气体引入发动机 减速增压亚声速飞行时 以较小的总压损失输送空气 超声速飞行时 减速增压是进气道的一个主要功用 同时保证总压损失较小 当飞行速度很高时 不再需要压气机 仅靠进气道实现气体增压 变成冲压发动机 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 15 1 2涡轮喷气发动机工作原理 压气机 提高气体压力气体流过压气机时 总 静压增加 能量增加 压气机运转所需的动力 机械能 由涡轮提供 涡轮 压气机 空气 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 16 1 2涡轮喷气发动机工作原理 燃烧室 将化学能转化为热能气流近似于等压燃烧 温度大幅提高 燃烧室出口总温越高 发动机推力越大 燃烧室出口的最大容许总温由涡轮叶片的耐热强度及涡轮的冷却技术决定 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 17 1 2涡轮喷气发动机工作原理 涡轮 将热能转化为机械能从燃烧室出来的高温高压燃气流进涡轮通道 在涡轮中膨胀 对涡轮做功 将气体的部份热能转化成机械能来维持压气机旋转 另一部分热能用于提高气体的速度 增加气体的动能 一级涡轮可带动多级轴流压气机 原因 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 18 1 2涡轮喷气发动机工作原理 假设单级高速涡轮落压比 2 0 单级压气机增压比 2 0压气机进口总温 287K 涡轮进口总温 1800K 能量守恒 单级压气机Luc 63kJ kg单级涡轮Lut 325kJ kg 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 19 1 2涡轮喷气发动机工作原理 尾喷管 排出气体 增速减压使涡轮出口燃气在尾喷管中继续膨胀 将部分热焓转变为动能 增加气流速度 增大发动机推力 调节尾喷管面积 可以改变发动机的工作状态 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 20 1 2涡轮喷气发动机工作原理 特征截面编号 教科书上划分的特征截面编号 0 0发动机远前方未扰动截面 1 1进气道出口 压气机进口 2 2压气机出口 燃烧室进口 3 3燃烧室出口 涡轮进口 4 4涡轮出口 9 9尾喷管出口 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 21 1 2涡轮喷气发动机工作原理 特征截面编号 目前主流的特征截面编号 单轴涡喷 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 22 1 2涡轮喷气发动机工作原理 特征截面编号 目前主流的特征截面编号 双轴涡扇 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 23 1 2涡轮喷气发动机工作原理 特征截面编号 目前主流的特征截面编号 大涵道比涡扇 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 24 1 2涡轮喷气发动机工作原理 理想循环工质为完全气体 定压比热和定容比热为定值 忽略气体流动过程的流动损失 即流动等熵 加热在等压下进行 且燃油完全燃烧 尾喷管出口静压等于外界大气压 喷管完全膨胀 理想循环涡喷发动机的气体压力和比容积的关系 表示总参数 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 25 1 2涡轮喷气发动机工作原理 发动机以C0的速度飞行 排气速度为C9 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 26 1 2涡轮喷气发动机工作原理 0 2 等熵压缩过程0 1为进气道利用速度冲压的压缩过程 流动绝热 气流流经进气道 总温 总压不变 速度减小 静温 静压增加 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 27 1 2涡轮喷气发动机工作原理 0 2 等熵压缩过程1 2为压气机的压缩过程 由于 气流流经压气机 总温 总压 静温 静压增加 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 28 1 2涡轮喷气发动机工作原理 2 3 定压加热过程为气流流经燃烧室时的等压加热过程 根据能量守恒方程 每公斤气体加入的热量为 由于 由于流动没有损失 由于等压膨胀 气流流经燃烧室 总压 静压不变 总温 速度和静温增加 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 29 1 2涡轮喷气发动机工作原理 3 9 等熵膨胀过程3 4为燃气流过涡轮的膨胀过程 由于 过程为等熵膨胀 热能 动能转化为机械功 气流流经涡轮 总压 总温 静温 静压减小 速度增加 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 30 1 2涡轮喷气发动机工作原理 温度下降 把热能转化成动能 4 9 等熵膨胀过程4 9为气流在喷管内进一步等熵膨胀加速 等熵过程 膨胀过程 气流流经尾喷管 总压 总温不变 静温 静压减小 速度增加 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 31 1 2涡轮喷气发动机工作原理 9 0 定压放热过程在发动机外部完成 燃气从喷管排出后与大气掺混 经过与大气热交换后 燃气温度逐渐趋于大气温度 放出的热量为 完全膨胀 这部分热量损耗 无法再利用 静压不变 静温 速度减小 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 32 1 2涡轮喷气发动机工作原理 根据能量守恒 理想循环功等于 其中 Wi表示1公斤气体在完成循环后 获得的能量 等于PV图中虚线所包围面积 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 33 1 2涡轮喷气发动机工作原理 热力学第一定律 对系统的加热量等于系统内能的变化和容积改变功之和 证明 理想循环功等于虚线所围面积 对系统的加热量等于系统焓的增量和等熵压缩功之差 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 34 1 2涡轮喷气发动机工作原理 对于理想循环过程 可得 而 所以 证明 理想循环功等于虚线所围面积 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 35 1 2涡轮喷气发动机工作原理 根据0 0截面至9 9截面的能量守恒关系 由于 和 可得 1 气流流过发动机所获得的能量增量等于其动能增量 2 理想循环 动能增量等于PV图中虚线所包围面积 3 喷管的作用 加速气流 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 36 1 2涡轮喷气发动机工作原理 实际循环气体成份是变化的 同时气体温度变化范围很大 定压比热和定容比热是变化的 实际过程总是有损失的 燃烧加热过程中是减压过程 气体加热膨胀 密度减小 速度增加 静压降低 喷管出口压力通常大于大气压 实际循环功 pv图上实际循环过程实线所包围的面积 其中 多变压缩功 多变膨胀功 2020 1 9 航空燃气涡轮发动机原理 37 1 2涡轮喷气发动机工作原理 根据伯努利方程 提供给压气机的涡轮功 膨胀过程摩擦损失 驱动螺旋桨 旋翼的涡轮功 压气机功 压缩过程摩