喷气发动机热力循环课件

喷气发动机热力循环

12/12/20221航空发动机原理喷气发动机热力循环12/11/20221航空发动机原理1循环的理想化条件理想化假设条件假设工质完成的是一个封闭的热力循环假设压缩和膨胀过程是定熵过程假设燃烧室为定压加热过程忽略qmf，假设气体为定质量（前后质量不便）的定比热容的完全气体

12/12/20222航空发动机原理1循环的理想化条件理想化假设条件12/11/20222航空2布莱顿或定压加热循环布莱顿或定压加热循环定义循环组成０-２定熵压缩过程２-３定压加热过程３-５定熵膨胀过程５-０定压放热过程布莱顿循环p-v图12/12/20223航空发动机原理2布莱顿或定压加热循环布莱顿或定压加热循环定义布莱顿循环⒈布莱顿循环的p-v图和T-s图布莱顿循环的p-v图过程含义0－1线1－2线2－3线3－4线4－5线布莱顿循环p-v图12/12/20224航空发动机原理⒈布莱顿循环的p-v图和T-s图布莱顿循环的p-v图过程含2布莱顿循环的热效率布莱顿循环的热效率热效率的定义其中： 问题：问什么W0=Q1-Q212/12/20225航空发动机原理2布莱顿循环的热效率布莱顿循环的热效率其中： 问题：问什对于定比热容的完全气体有:

对于定熵过程0－2有:

对于定熵过程3－5有:

12/12/20226航空发动机原理对于定比热容的完全气体有:

12/11/20226航空发动机引入反映循环特性的参数--增压比进气道的冲压比：压气机的增压比：所以即：循环的增压比等于进气道的冲压比与压气机的增压比的乘积

12/12/20227航空发动机原理引入反映循环特性的参数--增压比12/11/20227航空发热效率推导：所以：燃气涡轮喷气发动机理想循环的热效率取决于发动机的增压比和工质的热容比12/12/20228航空发动机原理热效率推导：12/11/20228航空发动机原理在一定的情况下，取决于空气在压缩过程中压力提高的程度发动机的增压比愈大，则热效率愈高。图2－10热效率随发动机增压比的变化

12/12/20229航空发动机原理在一定的情况下，取决于空气在压缩过程中压力3理想循环功W的推导计算：

12/12/202210航空发动机原理3理想循环功W的推导计算：12/11/202210航空发其中：故：理想循环功取决于加热比Δ和增压比π 12/12/202211航空发动机原理12/11/202211航空发动机原理图形分析增压比一定，加热比愈大，循环功愈大。最佳增压比的定义

图2－11理想循环功与增压比的关系

12/12/202212航空发动机原理图形分析图2－1112/11/202212航空发动机原理12/12/202213航空发动机原理12/11/202213航空发动机原理当实际加热比为5－6时，πopt≈16－30最大理想循环功为仅取决于加热比当增压比很大时，在极限情况下，则加热量为零，理想循环功也为零。12/12/202214航空发动机原理当实际加热比为5－6时，πopt≈16－3012/11/24实际循环发动机实际工作过程气体的成分发生变化；热容比也随着气体成分和温度而发生变化；存在流动损失

12/12/202215航空发动机原理4实际循环发动机实际工作过程12/11/202215航空发压缩过程(0-2)：认为是绝热的多变过程膨胀过程(3-5)：认为是绝热的多变过程燃烧室中由于流动损失和加热热阻存在，加热伴随气流总压损失

12/12/202216航空发动机原理压缩过程(0-2)：认为是绝热的多变过程12/11/20指示功有效功对涡喷发动机，对外输出功涡喷发动机：对外输出的有效功完全用来增加流过发动机气体的动能；涡扇发动机：一部分有效功用来驱动外涵风扇；涡轮螺桨发动机：有效功大部分用来驱动螺旋桨，小部分增加气体动能；涡轮轴发动机：实际循环的全部有效功绝大部分用来驱动直升机的旋翼。12/12/202217航空发动机原理指示功有效功对涡喷发动机，对外输出功涡喷发动机：对外输出的有有效功影响实际循环功的因素：加热比Δ、增压比、压缩效率、膨胀效率等12/12/202218航空发动机原理有效功12/11/202218航空发动机原理热效率影响发动机实际循环热效率的因素：加热比Δ(或涡轮前燃气总温)、增压比、压气机效率、涡轮效率。ηt＝

12/12/202219航空发动机原理热效率ηt＝12/11/202219航空发动机原理喷气发动机的推力1推力的产生推力的定义气体流过发动机时对发动机内外壳体作用力的合力在发动机轴线方向的分力叫推力，用符号表示。

推力是合力推力的分布图2－16推力的分布12/12/202220航空发动机原理喷气发动机的推力1推力的产生图2－16推力的分布122推力的计算公式推力计算推导控制体的选取动量方程气体为研究对象简化条件假设进气道的流量系数φi等于1，即发动机外表面的压力均等于外界大气压气体流经发动机外表面时没有摩擦阻力12/12/202221航空发动机原理2推力的计算公式12/11/202221航空发动机原理动量方程（向后方向为正）对气体的作用力:0-0截面（用0-0截面代替01-01截面）5-5截面0-5内壁对气体的作用力为所以12/12/202222航空发动机原理动量方程（向后方向为正）12/11/202222航空发动机原发动机内壁对气体向后的作用力：设Fin气体作用在发动机内壁上的力，则Fin与fin大小相等，方向相反，故：作用在发动机外表面上的轴向力Fout，设方向向前，则12/12/202223航空发动机原理发动机内壁对气体向后的作用力：12/11/202223航空发发动机的推力F为：当发动机喷管处于完全膨胀p5＝p0时,且忽略燃油质量qmf时，则：地面工作时,V＝０,则12/12/202224航空发动机原理发动机的推力F为：12/11/202224航空发动机原理喷气发动机的效率1实际循环热效率实际循环热效率的因素：加热比增压比压气机效率和涡轮效率最经济增压比πeco

定义

图2-14热效率实线(实际)虚线(理想)

12/12/202225航空发动机原理喷气发动机的效率1实际循环热效率图2-14热效率实为什么πeco>πopt当π＞πopt后，随着π的增大，热效率ηt仍缓慢上升直到π＞πeco后，随着π的增大，最经济增压比πeco大于最佳增压比πopt。压气机涡轮效率的含义图2-15换算功和热量随增压比变化

12/12/202226航空发动机原理为什么πeco>πopt图2-15换算功和热量12热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失发动机排出的燃气所带走的焓，约为55－75％；燃油在燃烧室中不完全燃烧的损失通过发动机壁面向外散失的热量后两项约为3－4％。涡轮喷气发动机的热效率约为25－40％12/12/202227航空发动机原理热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失12/11/22推进效率推进效率是发动机完成的推进功率与单位时间发动机从热力循环中获得的循环功（可用能量，这里为气体动能）的比值推进功率FV＝Vqm(V5－V）单位时间循环功推进效率12/12/202228航空发动机原理2推进效率12/11/202228航空发动机原理ηp分析：取决于，越大，越低V5＝V时，ηp＝1.0，F=0V＝０时，ηp＝０在飞行中，只要发动机的推力不为零，推进效率总小于１能量分析12/12/202229航空发动机原理ηp分析：12/11/202229航空发动机原理3总效率η0推进功率与单位时间进入燃烧室的燃油完全燃烧所释放出的热量的比值Hu是燃油的低热值，即一公斤燃油完全燃烧所释放出的热量（燃烧产物中的水蒸汽是气体状态）三者之间的关系η0＝ηtηp

12/12/202230航空发动机原理3总效率η012/11/202230航空发动机原理12/12/202231航空发动机原理12/11/202231航空发动机原理喷气发动机的性能指标1推力指标推力F推力是发动机最主要的性能指标但决不能只以它的大小来衡量发动机的好坏因为它并不能表明发动机有多大尺寸,有多少重量也不知道消耗多少燃油才产生这样大的推力12/12/202232航空发动机原理喷气发动机的性能指标1推力指标12/11/202232航空单位推力Fs定义单位推力是发动机最重要的性能指标之一在给定飞行条件,发动机尺寸和重量的情况下,单位推力愈大,则发动机的推力也愈大12/12/202233航空发动机原理单位推力Fs12/11/202233航空发动机原理推重比Fw它对飞机的最大平飞速度、升限、爬升速度等性能及有效载重量等都有直接的应响迎面推力FA发动机的推力与发动机最大迎风面积的比值12/12/202234航空发动机原理推重比Fw12/11/202234航空发动机原理经济指标燃油消耗量qmf单位时间进入燃烧室的燃油质量qmf不能完全反映发动机的经济性能差qmf是一个重要的监控参数因为随着发动机性能的下降及故障的出现,燃油消耗量将增加故可以根据燃油消耗量和排气温度的变化,判别发动机性能衰退的情况和故障12/12/202235航空发动机原理经济指标燃油消耗量qmf12/11/202235航空发动机原燃油消耗率sfc

定义：产生单位推力在一小时内所消耗的燃油质量称为燃油消耗率sfc与η0之间的关系12/12/202236航空发动机原理燃油消耗率sfc12/11/202236航空发动机原理在一定的飞行马赫数下,燃油消耗率与发动机的总效率成反比在一定的飞行马赫数下,燃油消耗率表示了发动机的经济性影响sfc的两个因素单位推力Fs、油气比f油气比：一公斤气体喷入的燃油量12/12/202237航空发动机原理在一定的飞行马赫数下,燃油消耗率与发动机的总效率成反比12需要掌握的内容理解布莱顿循环，发动机理想循环的热效率计算公式能够熟练应用推力计算公式发动机热效率、推进效率、总效率表达式以及相关概念燃烧室放出的热能是如何分配的单位推力以及燃油消耗率表达式以及相关概念12/12/202238航空发动机原理需要掌握的内容理解布莱顿循环，发动机理想循环的热效率计算公式喷气发动机热力循环

12/12/202239航空发动机原理喷气发动机热力循环12/11/20221航空发动机原理1循环的理想化条件理想化假设条件假设工质完成的是一个封闭的热力循环假设压缩和膨胀过程是定熵过程假设燃烧室为定压加热过程忽略qmf，假设气体为定质量（前后质量不便）的定比热容的完全气体

12/12/202240航空发动机原理1循环的理想化条件理想化假设条件12/11/20222航空2布莱顿或定压加热循环布莱顿或定压加热循环定义循环组成０-２定熵压缩过程２-３定压加热过程３-５定熵膨胀过程５-０定压放热过程布莱顿循环p-v图12/12/202241航空发动机原理2布莱顿或定压加热循环布莱顿或定压加热循环定义布莱顿循环⒈布莱顿循环的p-v图和T-s图布莱顿循环的p-v图过程含义0－1线1－2线2－3线3－4线4－5线布莱顿循环p-v图12/12/202242航空发动机原理⒈布莱顿循环的p-v图和T-s图布莱顿循环的p-v图过程含2布莱顿循环的热效率布莱顿循环的热效率热效率的定义其中： 问题：问什么W0=Q1-Q212/12/202243航空发动机原理2布莱顿循环的热效率布莱顿循环的热效率其中： 问题：问什对于定比热容的完全气体有:

对于定熵过程0－2有:

对于定熵过程3－5有:

12/12/202244航空发动机原理对于定比热容的完全气体有:

12/11/20226航空发动机引入反映循环特性的参数--增压比进气道的冲压比：压气机的增压比：所以即：循环的增压比等于进气道的冲压比与压气机的增压比的乘积

12/12/202245航空发动机原理引入反映循环特性的参数--增压比12/11/20227航空发热效率推导：所以：燃气涡轮喷气发动机理想循环的热效率取决于发动机的增压比和工质的热容比12/12/202246航空发动机原理热效率推导：12/11/20228航空发动机原理在一定的情况下，取决于空气在压缩过程中压力提高的程度发动机的增压比愈大，则热效率愈高。图2－10热效率随发动机增压比的变化

12/12/202247航空发动机原理在一定的情况下，取决于空气在压缩过程中压力3理想循环功W的推导计算：

12/12/202248航空发动机原理3理想循环功W的推导计算：12/11/202210航空发其中：故：理想循环功取决于加热比Δ和增压比π 12/12/202249航空发动机原理12/11/202211航空发动机原理图形分析增压比一定，加热比愈大，循环功愈大。最佳增压比的定义

图2－11理想循环功与增压比的关系

12/12/202250航空发动机原理图形分析图2－1112/11/202212航空发动机原理12/12/202251航空发动机原理12/11/202213航空发动机原理当实际加热比为5－6时，πopt≈16－30最大理想循环功为仅取决于加热比当增压比很大时，在极限情况下，则加热量为零，理想循环功也为零。12/12/202252航空发动机原理当实际加热比为5－6时，πopt≈16－3012/11/24实际循环发动机实际工作过程气体的成分发生变化；热容比也随着气体成分和温度而发生变化；存在流动损失

12/12/202253航空发动机原理4实际循环发动机实际工作过程12/11/202215航空发压缩过程(0-2)：认为是绝热的多变过程膨胀过程(3-5)：认为是绝热的多变过程燃烧室中由于流动损失和加热热阻存在，加热伴随气流总压损失

12/12/202254航空发动机原理压缩过程(0-2)：认为是绝热的多变过程12/11/20指示功有效功对涡喷发动机，对外输出功涡喷发动机：对外输出的有效功完全用来增加流过发动机气体的动能；涡扇发动机：一部分有效功用来驱动外涵风扇；涡轮螺桨发动机：有效功大部分用来驱动螺旋桨，小部分增加气体动能；涡轮轴发动机：实际循环的全部有效功绝大部分用来驱动直升机的旋翼。12/12/202255航空发动机原理指示功有效功对涡喷发动机，对外输出功涡喷发动机：对外输出的有有效功影响实际循环功的因素：加热比Δ、增压比、压缩效率、膨胀效率等12/12/202256航空发动机原理有效功12/11/202218航空发动机原理热效率影响发动机实际循环热效率的因素：加热比Δ(或涡轮前燃气总温)、增压比、压气机效率、涡轮效率。ηt＝

12/12/202257航空发动机原理热效率ηt＝12/11/202219航空发动机原理喷气发动机的推力1推力的产生推力的定义气体流过发动机时对发动机内外壳体作用力的合力在发动机轴线方向的分力叫推力，用符号表示。

推力是合力推力的分布图2－16推力的分布12/12/202258航空发动机原理喷气发动机的推力1推力的产生图2－16推力的分布122推力的计算公式推力计算推导控制体的选取动量方程气体为研究对象简化条件假设进气道的流量系数φi等于1，即发动机外表面的压力均等于外界大气压气体流经发动机外表面时没有摩擦阻力12/12/202259航空发动机原理2推力的计算公式12/11/202221航空发动机原理动量方程（向后方向为正）对气体的作用力:0-0截面（用0-0截面代替01-01截面）5-5截面0-5内壁对气体的作用力为所以12/12/202260航空发动机原理动量方程（向后方向为正）12/11/202222航空发动机原发动机内壁对气体向后的作用力：设Fin气体作用在发动机内壁上的力，则Fin与fin大小相等，方向相反，故：作用在发动机外表面上的轴向力Fout，设方向向前，则12/12/202261航空发动机原理发动机内壁对气体向后的作用力：12/11/202223航空发发动机的推力F为：当发动机喷管处于完全膨胀p5＝p0时,且忽略燃油质量qmf时，则：地面工作时,V＝０,则12/12/202262航空发动机原理发动机的推力F为：12/11/202224航空发动机原理喷气发动机的效率1实际循环热效率实际循环热效率的因素：加热比增压比压气机效率和涡轮效率最经济增压比πeco

定义

图2-14热效率实线(实际)虚线(理想)

12/12/202263航空发动机原理喷气发动机的效率1实际循环热效率图2-14热效率实为什么πeco>πopt当π＞πopt后，随着π的增大，热效率ηt仍缓慢上升直到π＞πeco后，随着π的增大，最经济增压比πeco大于最佳增压比πopt。压气机涡轮效率的含义图2-15换算功和热量随增压比变化

12/12/202264航空发动机原理为什么πeco>πopt图2-15换算功和热量12热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失发动机排出的燃气所带走的焓，约为55－75％；燃油在燃烧室中不完全燃烧的损失通过发动机壁面向外散失的热量后两项约为3－4％。涡轮喷气发动机的热效率约为25－40％12/12/202265航空发动机原理热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失12/11/22推进效率推进效率是发动机完成的推进功率与单位时间发动机从热力循环中获得的循环功（可用能量，这里为气体动能）的比值推进功率FV＝Vqm(V5－V）单位时间循环功推进效率12/12/202266航空发动机原理2推进效率12/11/202228航空发动机原理ηp分析：取决于，越大，越低V5＝V时，ηp＝1.0，F=0V＝０时，ηp＝０在飞行中，只要发动机的推力不为零，推进效率总小于１能量分析12/12/202267航空发动机原理ηp分析：12/11/202229航空发动机原理3总效率η0推进功率与单位时间进入燃烧室的燃油完全燃烧所释放出的热量的比值Hu是燃油的低热值，即一公斤燃油完全燃烧所释放出的热量（燃烧产物中的水蒸汽是气体状态）三者之间的关系η0＝ηtηp

12/12/202268航空发动机原理3总效率η012/11/202230航空发动机原理12/12/202269航空发动机原理12/11/202231航空发动机原理喷气发动机的性能指标1推力指标推力F推力是发动机最