航发原理第四章

第四章

涡轮喷气发动机各部件的共同工作及发动机的调节涡轮喷气发动机在稳定状态下各部件的共同工作共同工作的概念

发动机由五大部件构成，共同工作意味着各部件合在一起协调工作。在稳定状态下，有唯一确定的部件性能和总体性能。发动机最终的性能不仅取决于各部件的特性，同时也取决于它们之间的共同工作。图中的A、B、C和D点即为稳定的共同工作点，将这些点连起来称为发动机共同工作线，通常标在压气机图上，由这些点通过计算可以得到其它部件共同工作下的气动参数。共同工作线的研究意义在实际飞行过程中，发动机性能受大气环境、飞行条件影响，工作状态可能随时发生变化，为保证发动机安全工作、性能良好和满足飞行要求，必须知道发动机共同工作线的位置，了解各部件工作状态，以便更好地控制发动机。共同工作线通常由试验获得，也可以通过理论、经验计算得到。发动机稳态各部件的共同工作条件

发动机稳定工作时必须满足以下四个条件： 1）流量连续 2）转速相等 3）功率平衡 4）压力平衡压气机-涡轮共同工作条件-11、压气机-涡轮物理转速相等：nt=nk 采用相似参数表示方法：（1）压气机-涡轮共同工作条件-22、压气机-涡轮流量相等 若忽略燃气和空气的流量差别，由压气机进口和第一级涡轮导向叶片临界截面的流量连续可得： 将P3*=P2*sb代入可得：（2）

共同工作特性分析 式中若第一级导向器处于临界或超临界状态，q(lt)=1.0，则系数A=const。若方程（2）系数 为一常数，则表明压气机 压比pk*和进口流量系数q(l1)之间成线性关系，即一 条通过原点的射线，斜率为 。压气机-涡轮共同工作特性分析若保持涡轮喉道面积（At）和压气机相似转速 不变，改变T3*/T1*将改变通过压气机的流量。当T3*/T1*增加时，在特性图上，压气机的工作点移向喘振边界，因此可以说提高T3*对压气机起了减小流量的作用，称T3*为压气机的气动节气门或气动阀门。压气机-涡轮共同工作条件-33、压气机和涡轮功率平衡 当转速一定，发动机处于稳定工作状态时，由压气机和涡轮功率平衡：其中，hm为压气机-涡轮轴的机械效率。其中，压气机单位输入功和涡轮单位输出功分别为：式中忽略燃气和空气流量的差别，整理可得： （3）4、沿发动机流程通道压力平衡

压气机进出口总压：P2*=P1*pk* 燃烧室进出口总压：P3*=P2*sb （4） 涡轮进出口总压：P4*=P3*/pt*压气机-涡轮共同工作条件-4核心机：压气机-燃烧室-涡轮共同工作

二个方程，四个未知数，若给定压气机工作点上的二个参数即可求得对应的涡轮工作点。 对于压气机-燃烧室-涡轮三个部件组成的发动机核心机，只要满足转速相等、流量连续、功率平衡和压力平衡四个共同工作条件，理论上就可以在压气机通用特性图上稳定工作范围内的任何一点工作。核心机与喷管匹配

发动机部件的共同工作除了压气机-燃烧室-涡轮外，还必须包括尾喷管。尾喷管临界截面是发动机的后阀门，若忽略冷却气体，，由核心机与喷管共同工作的条件可以表示为涡轮第一导向器临界截面（At）和尾喷管临界截面（A9）的流量连续，可得方程为：

代入多变过程关系

整理得：

（5）核心机与喷管匹配特性分析当发动机几何不变（A9）、沿程总压损失不变、且第一涡轮导向器及喷管截面处于临界或超临界状态时，可得pt*=const，即为核心机-尾喷管共同工作方程，在压气机特性图上为一条曲线，称为发动机共同工作线。由于该线的位置同A9有关，有时也称A9=const线。发动机工作状态的确定当相似转速 确定时，发动机工作状态唯一确定。从涡轮与喷管共同工作方程（5）可以看出，当加力燃烧室打开时，T9*>T4*，为保证核心机工作状态不变即涡轮输出功率不变，维持pt*=const，所以必须同时增大尾喷管几何面积A9。涡轮喷气发动机稳态共同工作控制方程4.1.3、发动机各部件共同工作方程的建立 涡轮喷气发动机共同工作方程同调节规律有关，通常有最大推力和巡航两种调节规律。最大推力调节有两种方案：（1）、n=const，T3*=const（最理想，技术上很难实现）（2）、n=const，A9=const（最实际，技术上容易实现）

第一种调节规律共同工作方程： 第二种调节规律共同工作方程：

4-1、涡轮喷气发动机稳态下共同工作线的绘制4.1.4、共同工作线的绘制及应用 共同工作线的绘制一般由两种曲线绘制方法： （a）利用压气机特性和共同工作方程； （b）利用各部件特性。 这里要介绍的是第二种方法，即利用各部件特性（压气机特性，涡轮特性，喷管流量），通过给初值逐次迭代的方法，寻找各部件在不同飞行条件及发动机工作状态下的共同工作点。4-1、利用部件特性绘制共同工作线部件特性参数表示的共同工作条件：共同工作第一方程共同工作第二方程共同工作第三方程利用部件特性绘制共同工作线 根据部件特性计算方法如下：根据给定的飞行条件及发动机工作状态（高度H，马赫数M0，转速n），计算出压气机相似转速；在压气机等转速线上，任取一点，读出该点所对应的压气机性能参数；预先任意估计一个T3*/T1*值作为初值，由已知的压气机相似转速，根据压气机和涡轮转速相等关系式，计算出涡轮的相似转速；代入压气机和涡轮流量连续方程中，计算涡轮流量相似参数。根据得到的涡轮转速和流量相似参数，在涡轮特性图上查出涡轮的膨胀比及涡轮效率。将步骤（5）得到的涡轮性能参数和步骤（2）得到的压气机性能参数，代入压气机和涡轮功率平衡方程，求出新的T3*/T1*。 比较步骤（6）和步骤（3）得到的T3*/T1*，若不相等或没有达到误差的许可值，说明开始选的点不是压气机-燃烧室-涡轮核心机的共同工作点，重复（3）~（6）步，直到满意为止。

由压气机-燃烧室-涡轮组成的核心机共同工作点计算涡轮出口气流参数；计算喷管出口截面的气流参数。根据喷管所处的工作状态，计算喷管出口允许通过的流量相似参数；将步骤（4）和（5）得到的涡轮特性参数，代入涡轮和尾喷管流量连续方程，求得为保证涡轮和尾喷管流量连续而得的流量相似参数；比较步骤（9）和（10）得到的喷管出口流量系数是否相等，如果不等，说明在压气机特性图等转速线上任意取的点不是给定条件下发动机各部件的共同工作点。在压气机等转速线上重新取一点，重复计算，直到满意为止。核心机迭代压气机特性线上给初值核心机与喷管共同工作确定发动机共同工作点发动机与进气道匹配进气道和发动机的共同工作 流量相等是进气道和发动机共同工作的条件。由进气道前未扰动截面与压气机进口截面的流量相等可得： 进气道与发动机共同工作特点

由于T0*=T1*，j=A0/Ai，si=P1*/P0*， 上式可写为： ，式中 此即进气道和发动机的共同工作条件表达式，物理上意味着：当飞行马赫数M0及压气机进口马赫数M1确定时，系数K为常数，进气道损失系数si与流量系数f成正比关系，进气道特性图上代表通过原点的一条射线，斜率由K值确定。进气道特性图上的发动机共同工作线涡轮喷气发动机稳定工况条件从前面共同工作可知，当发动机相似转速 确定时，发动机的工作点唯一确定，即点A、B、C或D确定，压气机进口流量系数q(l1)或马赫数M1是唯一确定的，因此相似转速 是确定发动机工作状态的参数之一。进气道工作状态当压气机进口流量系数q(l1)确定时，还需给出飞行马赫数M0才可确定进气道工作状态，而只有当进气道工作状态确定时，包括进气道在内的整个发动机工作状态唯一确定，所以飞行马赫数M0是确定发动机工作状态的参数之二；确定发动机稳定工况的条件相似转速飞行马赫数M0物理上，要确定发动机工作状态需要知道：飞行马赫数M0；飞行高度H；发动机转速n。4-1、涡轮喷气发动机在稳定状态下各部件的共同工作4.1.6、不同情况下的共同工作线1、喷管临界截面积A9的大小对共同工作线的影响及其应用给定调节规律：相似转速 ，即工作点沿等转速线运动。参数分析过程当A9减小时，由涡轮-尾喷管共同工作可知： 得到：涡轮落压比pt*会下降，导致涡轮输出功率下降。在原相似转速上，涡轮带动不了压气机，于是转速有下降趋势。喷管临界面积A9对共同工作线的影响当给定相似转速不变调节规律时，燃油调节器启动，增加供油量qmf以维持转速不变，涡轮进口温度T3*会上升，压气机工作点向喘振边界方向移动。对于单轴涡喷发动机，当A9减小时，整个工作线向喘振边界移动。应用举例-早期发动机起动过程通过改变尾喷管临界面积达到发动机起动目的4-1、涡轮喷气发动机在稳定状态下各部件的共同工作2、第一级涡轮导向器临界截面积At的大小对共同工作的影响由流量连续可得：改变At即改变了系数A的大小，从而改变了压气机-涡轮共同工作点。沿等转速线上

工作点变化特点当涡轮临界面积At增加时，流量连续方程中系数A会减小，即射线斜率下降，压气机工作点沿等转速线向流量增加、压比pk*减小方向移动，即压气机工作点朝远离喘振边界方向移动。参数分析过程由涡轮-尾喷管流量连续可得，At增加同时会使涡轮落压比pt*会下降。T3*会有变化，是增加还是减少其最终位置由核心机中压气机-涡轮共同工作下的功率平衡方程决定。4-1、涡轮喷气发动机在稳定状态下各部件的共同工作3、设计压比的高低和调节规律的不同对共同工作线的影响低设计压比pkd*

当发动机相似转速下降时，共同工作线远离喘振边界。高设计压比pkd*

当相似转速下降时，共同工作线靠近喘振边界。不同设计压比下的共同工作线和喘振边界曲线特点分析发动机共同工作线的斜率随设计压比的增大而减小；压气机喘振边界线的斜率随设计压比的增大而增加。

调节规律对共同工作线的影响低设计压比下，调节规律n=const，T3*=const的共同工作线位于调节规律n=const，A9=const的共同工作线之上；高设计压比下，情况正好相反。压气机非设计点性能对共同工作线的影响

造成这种现象的主要原因在于压气机负荷随相似转速的变化关系同设计压比有关。低设计压比时，压气机负荷随相似转速减小而减小；高设计压比时，压气机负荷随相似转速减小而增加；中等设计压比，压气机负荷几乎不随相似转速变化。

压气机中间级放气对共同工作线的影响

压气机放气对工作状态的影响分析当相似转速下降、压气机从设计点沿共同工作线向下移动时，流量减少的速度通常比转速更快，导致前面级处于正攻角、负荷增加而后面级处于负攻角、负荷减小的工作状态；从而引起前面级失速喘振，后面级堵塞的涡轮工作状态；压气机中间级放气可以使进口流量增加，消除前面级大的正攻角状态；同时由于放气使后面级的空气流量减小，脱离大的负攻角移动；气流攻角改善使喘振边界向左移动，同时由于进口流量增加，共同工作线向右移动从而扩大了稳定工作范围。由于从放气口放出的流量同样受到压缩，必然消耗压气机一定功率，但这部分空气并没有进入涡轮作功，致使压气机压缩的空气量多，而通过涡轮作功的空气量少。从等转速线上看，燃烧室必须增加供油量，提高涡轮前温度T3*以满足压气机-涡轮功率平衡的条件。喷管工作状态对共同工作线的影响喷管临界截面处于临界或超临界状态时，发动机的共同工作点在pt*=const或A9=const的共同工作线上移动。当发动机转速n或飞行马赫数M0下降时，导致喷管处于亚临界状态M9<1。此时，共同工作线不再是唯一确定的一条，而与飞行马赫数M0相关。转速越小，M0越小，共同工作线越早地朝喘振边界靠近。低转速工况多共同工作线原因分析来流马赫数下降使进气道冲压能力减弱，而转速下降使压气机加功增压能力减小、压比下降，尾喷管的可用压力降减小，出现亚临界工作状态是不可避免的；取某等转速线，飞行马赫数减小导致涡轮输出功率减弱，转速有下降趋势，若保持转速不变，则燃烧室供油量需增加，涡轮前温度T3*上升，工作点向喘点方向移动。航空发动机调节功能调节系统的作用： 当外界条件变化给发动机带来干扰或驾驶员根据需要操纵发动机工作状态时，能迅速可靠地使发动机的工作过程参数按预定的规律变化。调节系统设计要求：1）保证发动机性能良好，能最有利地发挥发动机的潜力；2）工作安全可靠，不超转，不熄火，不超温，不喘振；3）调节精度高；4）结构性能好；4-2航空发动机的控制与调节航空发动机最大工作状态的调节最大工作状态调节： 最大工作调节规律应该使发动机在任何飞行状态下都能产生最大的推力。限制发动机推力进一步提高的因素：叶片机械强度限制；涡轮材料耐热性限制；压气机气动喘振限制。 最大工作状态的调节规律：在任何飞行状态下，发动机保持n=nmax和涡轮前最高温度T3*=T3*max理想的最大工作状态调节理想最大推力调节规律F=Fmax a）n=nmax 改变主燃烧室供油量qmf； b）T3*=T3*max 改变A9面积。 存在的问题： a）喷管临界面积A9无级可调技术； b）T3*高温测量技术。实际的最大工作状态调节实际最大推力调节规律F=Fmax a）n=nmax 改变主燃烧室供油量qmf； b）A9=const机械控制。 当飞行状态变化时，唯一调节的参数是供油量qmf，保证转速不变；但T3*会变化，因此，发动机工作时必须保证T3*<T3*max。实际最大工作状态分析采用调节规律：n=const，A9=const。 当涡轮和尾喷管临界截面处于临界状态时，由涡轮-尾喷管流量连续可得：pt*=const。由压气机-涡轮功率平衡可得；上式表明：当n=const时，涡轮前燃气温度T3*随压气机负荷Wk成正比变化；而压气机负荷Wk随飞行状态的变化同设计压比pkd*有关。压气机非设计点负荷随飞行速度的变化关系与设计压比有关T3*变化规律与飞行特点低设计压比(pk*=3-4)

压气机负荷Wk随飞行马赫数M0的增加而减小，飞的越快涡轮前温度越低，因此起飞时应有最大T3max*。中等设计压比(pk*=6-8)

压气机负荷Wk几乎不随飞行马赫数M0的变化而改变，T3*≈T3max*。高设计压比(pk*=8-12)

压气机负荷Wk随飞行马赫数M0的增加而增加，飞的越快涡轮前温度越高，因此涡轮前温度起飞时最低，最大飞行M0max时应有最大T3max*。采用相似转速为常数的最大推力调节最大工作状态调节规律F=Fmax a）相似转速：ncor=n/√(T1*)=const b）喷管临界面积：A9=const 特点： 采用这种调节规律时，压气机的上发动机共同工作线变为一个工作点。在所有的飞行状态下，发动机的相似参数和无量纲参数均保持不变，如压比pk*