发动机原理第二章4节课件

1、第二章第二章发动机部件工作原理发动机部件工作原理内容回顾内容回顾 进气道进气道 功能和要求功能和要求 进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比 亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理 超音速进气道的三种基本类型及优缺点超音速进气道的三种基本类型及优缺点 超音速进气道的三种工作状态超音速进气道的三种工作状态 超音速进气道的调节超音速进气道的调节2022年1月20日2内容回顾内容回顾 尾喷管尾喷管 功能和要求功能和要求 尾喷管的分类尾喷管的分类(纯收敛型、收敛纯收敛型、收敛-扩张型扩张型) 纯收敛型尾喷管的三种工作状态和

2、推力公式纯收敛型尾喷管的三种工作状态和推力公式 收敛收敛-扩张型尾喷管四种主要类型扩张型尾喷管四种主要类型2022年1月20日3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年1月20日4第四节第四节 压气机压气机一、生活中的叶轮机一、生活中的叶轮机风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）水泵、螺旋桨（飞机、轮船）2022年1月20日5一

3、、生活中的叶轮机一、生活中的叶轮机 电脑芯片的风扇：电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 发动机的压气机：发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气2022年1月20日6一、生活中的叶轮机一、生活中的叶轮机 压气机压气机2022年1月20日730个大气压1.5个大气压3个大气压一、生活中的叶轮机一、生活中的叶轮机2022年1月20日8大涵道比涡轮风扇发动机大涵道比涡轮风扇发动机一、生活中的叶轮机一、生活中的叶轮机2022年1月20日9小涵道比涡轮风扇发动机小涵道比涡轮风扇发动机二、功能、要求及分类二、

4、功能、要求及分类 功能功能加功增压，即对气流进行压缩以提高压力加功增压，即对气流进行压缩以提高压力 设计要求设计要求流通能力强、效率高、稳定、重量轻流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类分类离心式和轴流式离心式和轴流式2022年1月20日10三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理1、组成、组成 多级组成，每一级由转子与静子组成。多级组成，每一级由转子与静子组成。 转子（工作轮）：叶片、盘、轴转子（工作轮）：叶片、盘、轴 静子（导向器）：叶片、机匣静子（导向器）：叶片、机匣 转子在前、静子在后，交错排列转子在前、静子在后，交错排列2022年1月20日11转子静子三、轴流式压气机增压原理

5、三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 分解分解 级级基元级基元级平面叶栅平面叶栅 平面叶栅平面叶栅 动叶栅动叶栅 静叶栅静叶栅2022年1月20日12三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 截面编号截面编号 1 动叶进口动叶进口 2 动叶出口（静叶进口）动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口静叶出口2022年1月20日13三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 静叶栅静叶栅2022年1月20日14三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理

6、、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动气流在静叶栅中的流动伯努利方程伯努利方程dp 0 V3 V22022年1月20日1532232202fsVVdpW对于亚音气流，减速对于亚音气流，减速必须经过必须经过扩张形通道扩张形通道三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动气流在静叶栅中的流动 利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张形气流通道；形气流通道； 气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；2022年1月20日16三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压

7、气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 动叶栅动叶栅2022年1月20日17三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：气体在动叶栅中的流动： 速度三角形（进口）：速度三角形（进口）： 气流流向动叶的绝对速度气流流向动叶的绝对速度V1； 叶片转动切线速度为叶片转动切线速度为U1； 气流进入动叶的相对速度为气流进入动叶的相对速度为W1。 速度三角形（出口）：速度三角形（出口）： 气流流出动叶的相对速度为气流流出动叶的相对速度为W2； 叶片转动切线速度为叶片转动切线速度为U2； 气流流出动叶的绝对速度为气流流出动

8、叶的绝对速度为V2。2022年1月20日18三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：气体在动叶栅中的流动： 近似认为动叶前后切向速度不变近似认为动叶前后切向速度不变U1 U2 气流在动叶中气流在动叶中相对速度相对速度降低，降低，W2 W1（减速增压）（减速增压） 气流流经动叶的气流流经动叶的绝对速度绝对速度增加，即增加，即V2 V1（转子做功）（转子做功）2022年1月20日19三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：气体在动叶栅中的流动： 伯努利

9、方程（相对坐标系）伯努利方程（相对坐标系） dp 0 W2 W12022年1月20日2022221102frWWdpW叶型弯曲形成扩张通道，相对叶型弯曲形成扩张通道，相对速度减小，压力提高速度减小，压力提高三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（绝对坐标系）伯努利方程（绝对坐标系） 两式相减，得：两式相减，得：2022年1月20日212222112ufrVVdpWW2222211222uVVWWW压气机对气体作轮缘功绝对动能增量压气机对气体作轮缘功绝对动能增量+相对动能增量相对动能增量

10、动叶增压原理：加功、增速、增压动叶增压原理：加功、增速、增压三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 流动本质：流动本质： 气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是亚音速气体的减速增压过程。亚音速气体的减速增压过程。2022年1月20日22三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 压气机叶栅压气机叶栅2022年1月20日23三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理、亚音基元级增压原理 气体在轴流压气机中的参数变化气体在轴流压气

11、机中的参数变化2022年1月20日24三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理3、超音叶栅增压原理、超音叶栅增压原理2022年1月20日25 进口超音速气流进口超音速气流W1经激波后降为亚音经激波后降为亚音流流W2 ，静压提高，静压提高 然后气流转弯速度然后气流转弯速度降到降到W2 ，静压进，静压进一步提高一步提高 Mw1=1.3-1.5,总压总压恢复系数恢复系数=0.97-0.94级增压比级增压比=1.8-2.2三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理4、压气机级、压气机级 叶片扭转叶片扭转因沿叶高的切线速度大小不同因沿叶高的切线速度大小不同相对速度大小和方向均不同相对速度大

12、小和方向均不同速度三角形不同；速度三角形不同；2022年1月20日26三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理4、压气机级、压气机级 叶片扭转叶片扭转2022年1月20日27三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理5、全台压气机、全台压气机 沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短2022年1月20日28三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可否取消动叶？可否取消动叶？ 否否 如果不对气体作

13、功，只靠减速增压，压力如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其量等于来流总压；增加程度充其量等于来流总压； 动叶对气体作功加入能量，动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能增加绝对动能，使气流在其后的静叶中有足够的能量减，使气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压；速增压； 排列顺序：动叶在前，静叶在后。排列顺序：动叶在前，静叶在后。2022年1月20日29三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理级增压原理：级增压原理： 动叶动叶 加功增速加功增速 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 静叶静叶 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通使在动叶中获

14、得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压道减速增压 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下一级做准备，为顺利进入下一级做准备2022年1月20日30三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理气体参数的变化气体参数的变化 动叶动叶 静温增加静温增加 静压增加静压增加 总温增加（动叶做功）总温增加（动叶做功） 总压增加总压增加 绝对速度增加（动叶做功）绝对速度增加（动叶做功） 相对速度下降（减速扩压）相对速度下降（减速扩压）2022年1月20日31三、轴流式压气机增压原理三、轴流式压气机增压原理气体参数的变化气体参数的变化 静叶静叶 静温

15、增加静温增加 静压增加静压增加 总温不变总温不变 总压小幅下降（有损失）总压小幅下降（有损失） 速度下降（减速扩压）速度下降（减速扩压）2022年1月20日32四、热力过程及主要参数四、热力过程及主要参数1、热力过程、热力过程 理想情况：绝热等熵压缩理想情况：绝热等熵压缩 实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）2022年1月20日33hSP2*P1*等熵等熵理想压缩功理想压缩功实际压缩功实际压缩功12i2四、热力过程及主要参数四、热力过程及主要参数2、效率计算、效率计算 等熵过程的关系式：等熵过程的关系式： 等熵压缩功：等熵压缩功： 实际压缩功实际压缩功 压气

16、机效率压气机效率2022年1月20日341*2111kkTT等熵压缩功实际压缩功1*211()(1)kipipkWc TTc T22111()(1)kppTWc TTc TT11()*2211()iikTpTp在给定的增压比和进口总温的条件下，在给定的增压比和进口总温的条件下，压气机出口温度越高，效率越低。压气机出口温度越高，效率越低。 0.820.87四、热力过程及主要参数四、热力过程及主要参数3、压气机主要性能参数、压气机主要性能参数 增压比：增压比： 流量：流量： 转速：转速： 绝热效率：绝热效率：2022年1月20日35)(rpmn)/(skgqma*2*1kpp出口总压进口总压1*2

17、111kkTT等熵压缩功实际压缩功四、热力过程及主要参数四、热力过程及主要参数 4、压气机实际压缩功、压气机实际压缩功 压缩功与进口气流总温、增压比成正比，压缩功与进口气流总温、增压比成正比，与效率成反比与效率成反比2022年1月20日361*1()1/kkkkkWCpT四、热力过程及主要参数四、热力过程及主要参数练习题（判断）练习题（判断） 只要压气机增压比保持不变，则压气机对只要压气机增压比保持不变，则压气机对单位工质所做的功保持不变。单位工质所做的功保持不变。 错，功与进口总温、效率有关错，功与进口总温、效率有关 只要压气机进、出口总温保持不变，则压只要压气机进、出口总温保持不变，则压气

18、机对单位工质所做的功保持不变。气机对单位工质所做的功保持不变。 对对2022年1月20日37作业作业1、在一台多级压气机中，第一级和第二级对、在一台多级压气机中，第一级和第二级对空气的加功量都是空气的加功量都是30kJ/kg，级效率都是，级效率都是0.84，那么第一级和第二级增压比是否相同，那么第一级和第二级增压比是否相同，为什么？，为什么？2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均、在标准大气条件下，测得某压气机的平均出口总温出口总温550K，总压，总压738900Pa，求该压气，求该压气机效率。机效率。2022年1月20日38五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态1、压气机攻角

19、、压气机攻角 攻角：攻角： 1k 几何进口角几何进口角; 1进口气流角进口气流角 设计状态攻角的选取：设计状态攻角的选取： 亚音叶栅：略大于亚音叶栅：略大于0 超音叶栅：略小于超音叶栅：略小于0 可以近似认为，设计可以近似认为，设计状态攻角为零（状态攻角为零（i=0）2022年1月20日3911ki五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态2、叶型损失、叶型损失(类比机翼类比机翼)2022年1月20日40五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态3、压气机的设计状态与非设计状态、压气机的设计状态与非设计状态 正攻角工况（叶背出现分离）正攻角工况（叶背出现分离） 设计点工况（

20、设计点工况（设计状态设计状态） 负攻角工况（叶盆出现分离）负攻角工况（叶盆出现分离）2022年1月20日41五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪些情况可能导致攻角减小？些情况可能导致攻角减小？ 流量不变，转速增大（流量不变，转速增大（+） 流量不变，转速减小（流量不变，转速减小（-） 转速不变，流量减小（转速不变，流量减小（+） 转速不变，流量增大（转速不变，流量增大（-）2022年1月20日42五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态4、喘振、喘振 随着攻角的增加：随着攻角的增加： 部分叶

21、片一定部位首先发生旋转失速或称旋转部分叶片一定部位首先发生旋转失速或称旋转分离；分离； 分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振2022年1月20日43五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态4、喘振、喘振 定义定义是压气机的一类气动失稳是压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有现象，其流量和压升具有周期性的高振幅振荡，周期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常时而体现为非失速的正常流动，时而表现为低流量流动，时而表现为低流量低压升的失速流动。低压升的失速流动。2022年1月20日44五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态4、

22、喘振、喘振 危害：危害： 低频、高振幅脉动；低频、高振幅脉动； 非常强烈的机械振动；非常强烈的机械振动； 强烈的放强烈的放“炮声炮声”； 发动机熄火；发动机熄火； 发动机发动机“吐火吐火”2022年1月20日45五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态4、喘振、喘振 物理机制：物理机制： 流量减少，攻角增大，叶背出现分离流量减少，攻角增大，叶背出现分离 当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压机转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能力，于是流量急剧下降；的能力，于是流量急剧下降； 出口的高压

23、气流会向进口方向倒流，此时反压降出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低，由于压气机轮缘功的作用，又开始正向流动低，由于压气机轮缘功的作用，又开始正向流动； 喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分离、再倒流的循环过程。离、再倒流的循环过程。2022年1月20日46五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题、多级轴流压气机的稳定工作问题2022年1月20日47五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题、多级轴流压气机的稳定工作问题 当多级轴流压气机工作于设计状态时

24、，各当多级轴流压气机工作于设计状态时，各级转子的攻角近似为级转子的攻角近似为0，压气机处于高效工，压气机处于高效工作状态。作状态。 思考：思考： 若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机各级攻角会发生什么变化？各级攻角会发生什么变化？ 若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变化？化？2022年1月20日48五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题、多级轴流压气机的稳定工作问题2022年1月20日49五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳

25、定工作问题、多级轴流压气机的稳定工作问题2022年1月20日50五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施、压气机防喘措施 进气机匣处理进气机匣处理 中间级放气中间级放气 可转动静子导流叶片可转动静子导流叶片 多轴压气机：双轴、三轴多轴压气机：双轴、三轴2022年1月20日51五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施、压气机防喘措施 进气机匣处理（不需要掌握原理）进气机匣处理（不需要掌握原理） 重点是考虑多级压气机的前面级和后面级重点是考虑多级压气机的前面级和后面级2022年1月20日52五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作

26、状态6、压气机防喘措施、压气机防喘措施 中间级放气中间级放气2022年1月20日53五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施、压气机防喘措施 可转动静子导流叶片可转动静子导流叶片2022年1月20日54五、压气机的不稳定工作状态五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施、压气机防喘措施 多轴压气机：双轴、三轴多轴压气机：双轴、三轴2022年1月20日55六、压气机特性六、压气机特性1、特性的意义、特性的意义 压气机在设计状态下工作时具有符合设计压气机在设计状态下工作时具有符合设计要求的增压比和效率要求的增压比和效率 一台设计完成的压气机不可能总在设计状一台设计完

27、成的压气机不可能总在设计状态下工作（如转速变化）态下工作（如转速变化） 当工作条件偏离设计状态时，压气机的增当工作条件偏离设计状态时，压气机的增压比和效率会发生变化压比和效率会发生变化 在非设计条件下工作时压气机性能参数在非设计条件下工作时压气机性能参数（增压比、效率）的变化为压气机特性（增压比、效率）的变化为压气机特性2022年1月20日56六、压气机特性六、压气机特性2、性能参数变化原因、性能参数变化原因 外界条件：外界条件： 进气总压进气总压 进气总温进气总温 工作转速工作转速 空气流量空气流量2022年1月20日57*1p*1T六、压气机特性六、压气机特性3、压气机特性图、压气机特性图

28、 设外界条件不变，性能参数之间关系可如设外界条件不变，性能参数之间关系可如下表示：下表示： 将上式参数之间的关系表示成曲线图，即将上式参数之间的关系表示成曲线图，即为压气机特性图为压气机特性图2022年1月20日58),(),(2*1*nqfnqfmakmak六、压气机特性六、压气机特性3、压气机特性图、压气机特性图2022年1月20日59 2 进口集流器； 3 流量管壁面静压孔； 5 进口导叶 ； 6 压气机转子 ；8 压气机静子； 9 压气机出口总压梳； 10 出口总压耙 ； 11 异步交流电动机； 12 排气管道； 13 流量调节堵锥。实验内容：通过调节堵锥控制压气机流量，在不同的转速下

29、，分析增压比与效率的变化。六、压气机特性六、压气机特性3、压气机特性图、压气机特性图 在给定的转速下，可以得到流量、增压比在给定的转速下，可以得到流量、增压比、效率之间的对应关系、效率之间的对应关系2022年1月20日60流量增压比效率55.262292.153970.7258.996782.133510.7562.63062.096680.77365.428942.039390.7828968.227291.965730.7703470.461941.867520.7432472.253691.781590.7133674.427941.656780.67181六、压气机特性六、压气机特性3

30、、压气机特性图、压气机特性图 增压比与流量的关系：增压比与流量的关系： 以空气流量为横坐标以空气流量为横坐标 增压比为纵坐标增压比为纵坐标2022年1月20日61506070801.01.52.02.5 增压比空气流量（kg/s）六、压气机特性六、压气机特性3、压气机特性图、压气机特性图 效率与流量的关系：效率与流量的关系： 以空气流量为横坐标以空气流量为横坐标 效率为纵坐标效率为纵坐标2022年1月20日62506070801.0 效率空气流量（kg/s）六、压气机特性六、压气机特性2022年1月20日63506070800.70.80.

31、91.0 效率506070801.01.52.02.5 增压比空气流量（kg/s）六、压气机特性六、压气机特性3、压气机特性图、压气机特性图 将不同转速的特性表示在一张图上：将不同转速的特性表示在一张图上：2022年1月20日642040608010012014012345n=9000rpmn=8000rpmn=5000rpm 增压比空气流量（kg/s） 增压比n=3000rpm204060801001201401.0 效率 效率n=9000rpmn=8000rpmn=5000rpm n=3000rpm),(),(的条件下,在给定2*1*1*1nqfnqfTpmakmak六、