第5次课_航空燃气轮机基础知识

1、2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理1 4.1 涡喷发动机产生推力的原理 4.1.1 推力的定义 4.1.2 推力产生的原理 4.2 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理 4.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环 4.3 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算4.4 航空燃气轮机的性能指标及效率航空燃气轮机的性能指标及效率第四部分、第四部分、燃气涡轮发动机基础知识 2021-11-241一、涡喷发动机产生推力的原理一、涡喷发动机产生推力的原理1、推力的定义：流过发动机内部和外部的气体与发动机壳体，流

2、过发动机内部和外部的气体与发动机壳体，内、外壁面及部件之间的作用力的合力，在发动内、外壁面及部件之间的作用力的合力，在发动机轴线方向的分力称为推力（机轴线方向的分力称为推力（F F）。）。地面靠推地地面靠推地2、推力产生的原理水里靠推水水里靠推水2、推力产生的原理水中推进用水中推进用的螺旋桨的螺旋桨水里靠推水水里靠推水2、推力产生的原理（1）螺旋桨推进（2）喷气推进（又称吸气推进）（两种方式）2、推力产生的原理太空什么都没有，太空什么都没有，靠喷推进剂，靠喷推进剂，2、推力产生的原理还要利用万有引力还要利用万有引力2、推力产生的原理 图中所示连续不断进行进气和排气过程图中所示连续不断进行进气和

3、排气过程的位置被称为飞机的短舱，短舱里有一个的位置被称为飞机的短舱，短舱里有一个装置可以使装置可以使排气速度大于进气速度排气速度大于进气速度。 每秒钟吸进和排出的气体达数百斤以上，比一个成年人体重还要多！ 遄达900每秒钟吸入1.25吨以上的空气。 燃气涡轮发动机推力的产生 飞机通过连续不断的吸气和排气，并使排气飞机通过连续不断的吸气和排气，并使排气的速度大于吸气的速度这一过程来获得向前飞的速度大于吸气的速度这一过程来获得向前飞行的动力。但是飞机是行的动力。但是飞机是依靠什么实现并维持这依靠什么实现并维持这一过程一过程的呢？的呢？ 燃气涡轮发动机推力的产生这就是-航空发动机 燃气涡轮发动机推力

4、的产生最简单的涡喷发动机结构示意图 燃气涡轮发动机推力的产生2、推力的产生原理、推力的产生原理气体以速度C0进入发动机，以C9的速度离开发动机，且C9的速度大于C0，说明气体在发动机内是一个加速过程。牛顿第二定律指出，有加速度就一定有作用力存在，而作用力的大小与加速度成正比，方向相同，这个力可以用动量方程进行计算。牛顿三定律指出，有作用力，就一定有反作用力，反作用力与作用力大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上。这个反这个反作用力是气体作用在发动机上的，就是发动机的推力。作用力是气体作用在发动机上的，就是发动机的推力。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0推力是如何产生的？以航空涡

5、轮喷气发动机为例： 当发动机工作时，大量空气被吸入进气道，经过发动机各机件工作，使吸入的空气增压，再经燃油燃烧使气体更加膨胀，进一步增大气体的压力，这样强大的压力都是在发动机内腔产生的，即是发动机的内压力。当高压气体从尾喷管喷出时，即产生一个与高压气体压力相等方向相反的反作用力，这一反作用力就是发动机带着飞机向前飞行的推力。也就是说喷气式发动机是在整个工作过程中产生的推力。因此，那种认为由于发动机因此，那种认为由于发动机喷出的气流喷出的气流作用在作用在外界空气上产生反作用力推动飞机向前飞行的观外界空气上产生反作用力推动飞机向前飞行的观念是一种误解。念是一种误解。由于发动机是连续地吸气、增压和喷

6、气的，所以，在发动机工作时，保持有连续推力的产生。2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理16 发动机组成发动机组成4.2 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理2021-11-24164.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理174.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理184.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理194.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理204.2.1

7、发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理214.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理224.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理234.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理244.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理254.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理264.2.1 发动机组成及

8、简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理274.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理284.2.1 发动机组成及简图发动机组成及简图 2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理294.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环l 涡轮喷气发动机之所以能连续地把热能转换为机械能进而涡轮喷气发动机之所以能连续地把热能转换为机械能进而产生推力，是由于热力循环不断进行的结果。所以，热力循产生推力，是由于热力循环不断进行的结果。所以，热力循环是涡轮喷气发动机的基础。环是涡轮喷气发动机的基础

9、。l热力循环：热力循环：是为了把燃料的热能转变为机械功所需要的、以是为了把燃料的热能转变为机械功所需要的、以空气为介质进行能量转换的一系列工作过程。空气为介质进行能量转换的一系列工作过程。4.2 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理304.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环l 燃气发生器燃气发生器：是各类燃气轮机的热机部分，包括是各类燃气轮机的热机部分，包括压气机压气机、燃燃烧室烧室和和带动压气机的那部分涡轮带动压气机的那部分涡轮。l 原理：利用工质重复地进行某些工作过程，同时不断吸热做原理：利用工质重复地进

10、行某些工作过程，同时不断吸热做功。功。l 理想循环理想循环p 工质为空气，为理想气体，其比热为常数，不随气体温工质为空气，为理想气体，其比热为常数，不随气体温度和压力而变化。度和压力而变化。p 整个工作过程没有流动损失，压缩过程与膨胀过程为绝热整个工作过程没有流动损失，压缩过程与膨胀过程为绝热等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）和机械损失。和机械损失。4.2 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理314.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环l 涡轮喷

11、气发动机的工作，可划分为涡轮喷气发动机的工作，可划分为4个热力过程：个热力过程：绝热压绝热压缩过程，定压加热过程，绝热膨胀过程，定压放热过程缩过程，定压加热过程，绝热膨胀过程，定压放热过程。l这这4个过程组成了涡轮喷气发动机的理想循环，称为布莱顿个过程组成了涡轮喷气发动机的理想循环，称为布莱顿循环，如下图。由于这个循环的加热和放热过程都是在定循环，如下图。由于这个循环的加热和放热过程都是在定压条件下进行的，因此，也叫压条件下进行的，因此，也叫“定压加热循环定压加热循环”。4.2 航空燃气轮机工作原理航空燃气轮机工作原理pV（比容）02134p-V132021-11-24航空发动机原理航空发动机

12、原理324.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环1. 理想循环理想循环 CTB2134图2.15 燃气轮机循环布置图pV0021342134p-VTST-S1-2 绝热压缩绝热压缩 2-3 等压加热等压加热 3-4 绝热膨胀绝热膨胀 4-1 等压放热等压放热13132021-11-24航空发动机原理航空发动机原理334.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环1. 理想循环理想循环 （1）衡量燃气发生器）衡量燃气发生器的指标的指标热效率热效率 ：加入每千克空气的热量中所能产生的：加入每千克空气的热量中所能产生的可用功与所加热量之比。可

13、用功与所加热量之比。比功比功 ：单位质量空气所作的功。：单位质量空气所作的功。（2）表示理想燃气轮机循环）表示理想燃气轮机循环的参数的参数增压比增压比 ：压气机出口静压与周围大气压力之比。：压气机出口静压与周围大气压力之比。加热比加热比 ：燃烧室出口温度与外界大气温度之比。：燃烧室出口温度与外界大气温度之比。 （3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析 it,whvwhvq20202121能量方程式能量方程式2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理344.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析 绝热压缩

14、过程绝热压缩过程 12pV02134p-V13p整个过程吸热为整个过程吸热为0；p两个阶段：两个阶段： 11 迎面高速气流在迎面高速气流在进气道进气道中的绝能流动，使工质减速增加；中的绝能流动，使工质减速增加； 11 压气机压气机对工质做功。对工质做功。p总机械功：总机械功： 012q212111, 12121vvhhwic122,1, 2hhwwic 1)(/ )1(11212, 2, 1,kkppicicicTcTTchhwww该过程在进气道和压气机内进行。该过程在进气道和压气机内进行。2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理354.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器

15、的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析pV02134p-V13 等压加热过程等压加热过程 23p 该过程在燃烧室内完成；在定压条该过程在燃烧室内完成；在定压条件下有外界对他加热，空气温度升高，件下有外界对他加热，空气温度升高，比容增大。比容增大。p 工质所做的机械功为工质所做的机械功为0： p 工质吸热量：工质吸热量： 023w)()(/ )(kkppTcTTchhq1123232323TT为为 循环的加热比循环的加热比2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理364.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环

16、分析）理想燃气轮机循环分析pV02134p-V13 绝热膨胀过程绝热膨胀过程 34p整个过程吸热为整个过程吸热为 0；p两个阶段：两个阶段： 33 在在涡轮涡轮中完成，涡轮从中完成，涡轮从工质中获得的机械功为：工质中获得的机械功为： 34 在尾喷管或动力涡轮中在尾喷管或动力涡轮中完成，单位工质所做的功为完成，单位工质所做的功为。p总机械功：总机械功： 333hhw433232442121hhhvvw11 11 )(/ )1(1/ )1(3434343,kkpkkppitTcTcTTchhwww 该过程燃烧在涡轮和喷管内进行绝热该过程燃烧在涡轮和喷管内进行绝热膨胀，比容增大，压力和温度均下降。膨

17、胀，比容增大，压力和温度均下降。2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理374.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析pV02134p-V13 等压放热等压放热过程过程 41p整个过程中，气体在压力不变的整个过程中，气体在压力不变的情况下向大气放热；温度降低，比情况下向大气放热；温度降低，比容变小。容变小。p 机械功为机械功为0：p总放热量为：总放热量为： 041w) 1()(/ )1(1141441kkppTcTTchhq2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理384.2.2 燃气发生器的理想循环和

18、实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析p 比功比功 ) 1()11 ()()(/ )1(/ )1(1142321kkkkpppiTcTTcTTcqqwp 热效率热效率 或或) 1()11 ()()(/ )1(/ )1(11243,kkkkpppicitiTcTTcTTcwwwkkiitqqqw/ )1(121,111p吸热量吸热量)()(/ )1(123231kkppTcTTcqq) 1()(/ )1(114412kkppTcTTcqqp放热量放热量2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理394.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气

19、发生器的理想循环和实际循环（3）理想燃气轮机循环分析）理想燃气轮机循环分析分析分析： 增压比增压比 ，加热比，加热比 和吸热量和吸热量 ，比功，比功 ，热效率热效率 之间的关系之间的关系1qiwit , 理想燃气轮机的热效率理想燃气轮机的热效率 只与增压比只与增压比 有关，有关， 随随 增大而单调增加；增大而单调增加； 在加热比在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增一定得条件下，有一个使比功达最大值的增压比，称为压比，称为最佳增压比最佳增压比，记为，记为 ，最佳增压比随加热，最佳增压比随加热比增大而增大；比增大而增大； 在增压比相同的条件下，比功在增压比相同的条件下，比功 随加热比增

20、大而增大。随加热比增大而增大。it,it,optiw2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理404.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环燃气发生器的理想循环和实际循环2. 实际循环实际循环 p21341-2 多变压缩多变压缩n k 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nk 2-3 等压加热等压加热 3-4 多变膨胀多变膨胀nC1C1时，时， C0C1 C0C1时，时， 超音速飞行时，取决于进气道前超音速飞

21、行时，取决于进气道前面的激波状态。面的激波状态。1111 由于按照截面由于按照截面0计算，误将发动机前方的气流流管壁当成进气道的一部计算，误将发动机前方的气流流管壁当成进气道的一部分而计算其受到的向前的轴向力，这部分多算进去的推力即分而计算其受到的向前的轴向力，这部分多算进去的推力即附件阻力附件阻力。)()(10011ccqPPADmaa2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理60 4.3 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算4.3.4 有效推力有效推力Fefn 波阻波阻 sD计算假设计算假设2 2：发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力 ；0

22、p实际情况：实际情况： 亚音速飞行时，差别不大；亚音速飞行时，差别不大； 超音速飞行时，由于发动机短舱外存在激波，使得发动机表超音速飞行时，由于发动机短舱外存在激波，使得发动机表面压力大于大气压力面压力大于大气压力 ，这部分压差，这部分压差 在发动机轴向在发动机轴向投影的总和即为发动机的投影的总和即为发动机的波阻波阻 。 波阻大小与飞机的飞行速度、发动机短舱外形、发动机安装波阻大小与飞机的飞行速度、发动机短舱外形、发动机安装情况、尾喷管喷出的高速燃气流的干扰都有很大关系，需要实情况、尾喷管喷出的高速燃气流的干扰都有很大关系，需要实验方法确定。验方法确定。 0p)(0pp sDdAPPDAAs0

23、1)(02021-11-24航空发动机原理航空发动机原理61 4.3 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力的计算4.3.4 有效推力有效推力Fefn 外表摩擦阻力外表摩擦阻力 fD计算假设计算假设3 3：气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。 实际情况：实际情况： 发动机短舱外表面存在摩擦阻力发动机短舱外表面存在摩擦阻力 ； 大小与发动机短舱的外形及飞行马赫数和雷诺数有关，大小与发动机短舱的外形及飞行马赫数和雷诺数有关，需要用实验方法确定。需要用实验方法确定。fD2021-11-24航空发动机原理航空发动机原理62 4.3 涡喷发动机推力的计算涡喷发动机推力