航空燃气涡轮发动机工作原理

第一章

航空燃气涡轮发动机工作原理第一章

航空燃气涡轮发动机工作原理第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向2023年2月6日2第二节推力公式一、有效推力及推力分布发动机提供的推进飞机向前运动的力，其大小等于流经发动机内、外的气流对发动机各部件表面反作用力的轴向合力，用“Feff”表示。提供推动力的作用：(1)克服飞行阻力(2)飞机达到一定速度机翼产生升力(3)矢量推力俯仰（偏航）力矩推力分布2023年2月6日3二、推力公式推导取发动机单独安装于短舱的安装形式远前方为“0”截面短舱进口为“01”截面尾喷管出口为“9”截面2023年2月6日4二、推力公式推导气流流经发动机内、外所产生的反作用力：Fout：气流作用于短舱外表面的轴向合力Fin：发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力2023年2月6日5二、推力公式推导FoutdA

—短舱外表面微元面积在垂直于轴向方向上的投影；Xf—摩擦阻力因与飞行方向相反，故均为负。2023年2月6日6二、推力公式推导Fin动量定理：控制体进、出口气流动量变化＝全部轴向力的合力控制体包括：短舱包含的气流和进气道前方一段扩张管流。2023年2月6日7二、推力公式推导Feff2023年2月6日8二、推力公式推导Feff2023年2月6日9推力阻力附加阻力压差阻力摩擦阻力二、推力公式推导推力附加阻力压差阻力摩擦阻力2023年2月6日10二、推力公式推导Feff与F对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动较小,可以近似认为:Feff

F对于超音速飞机在超音速飞行时激波的出现，FeffF三项损失不容忽视!2023年2月6日11二、推力公式推导Feff与F安装位置飞机机体设计必须与发动机工作相匹配，以减小安装损失。2023年2月6日12安装推力非安装推力安装损失二、推力公式推导推力2023年2月6日13发动机推力＝空气流量进排气速度差第一章

航空燃气涡轮发动机工作原理第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向2023年2月6日14第三节性能指标和基本要求一、性能指标1、推力单位：N、daN、kgf2023年2月6日15一、性能指标1、推力（动量变化）空气：燃油：大涵道比（民用）涡扇

燃油/空气几/‰小涵道比（军用）涡扇燃油/空气几/%2023年2月6日16排出燃气流量排出进口空气流量一、性能指标1、推力（压力变化）2023年2月6日17一、性能指标1、推力推力：尾喷管完全膨胀：p9=p0忽略进出口流量差异qmg=qma2023年2月6日18一、性能指标1、推力如果v0=0，则为地面台架试验 F119

qma=125kg/s v9=1200m/s F=150000N2023年2月6日19一、性能指标示例：进行发动机地面台架试车，其中发动机进口流量100kg/s，进口速度120m/s，排气速度800m/s，尾喷管完全膨胀，则发动机产生的推力是多少？A 68000NB 80000N2023年2月6日20一、性能指标1、推力发动机推力大小仅仅反映飞机的推力需求，不能反映不同推力级发动机之间的性能优劣例如:GE90(BY777)F=392000N,qma=1420kg/sD=3.524mwp-11(无人机)F=8500N,qma=13kg/sD=0.3m2023年2月6日21一、性能指标2、单位推力单位：N·s/kg每秒钟流过发动机的每公斤空气产生的推力.忽略进出口流量变化，完全膨胀：又进行地面台架试验：2023年2月6日22一、性能指标2、单位推力大涵道比民用涡扇：300高性能小涵道比军用涡扇：700-1200单位推力越大，迎头面积越小。2023年2月6日23一、性能指标3、推重比 FW=F/W无量纲量综合性指标：反映气动热力循环的设计水平（如高单位推力），反映结构设计水平。统计：W增加1kg导致飞机重量增加2.5kg。2023年2月6日24一、性能指标3、推重比J47 3F100 8 F119 10 飞机推重比将直接影响飞机性能（最大平飞速度、升限、有效载荷和机动性、作战半径等）先进战斗机推重比1.1～1.152023年2月6日25一、性能指标4、单位迎面推力 FA=F/A单位：N/m2发动机短舱安装，其迎面面积的大小，决定了发动机外部阻力大小。涡喷发动机FA

约为80-100kN/m22023年2月6日26一、性能指标5、耗油率单位：kg/h·N或kg/h·daN产生1牛顿推力每1小时消耗的燃油量经济性指标2023年2月6日27油气比一、性能指标示例：F119发动机qmf=7.2kg/s（每小时耗油25920kg）推力≈150000N耗油率：0.173kg/h·N2023年2月6日28一、性能指标小结1、推力F2、单位推力Fs3、推重比Fw4、单位迎面推力FA5、耗油率sfc2023年2月6日29二、使用性能要求1.起动迅速可靠(地面、空中）

t=(30-60s)2.加、减速性能好指发动机转子转速迅速增加或减小，使发动机推力迅速加大或减小的能力。

t=(5-15s)2023年2月6日30二、使用性能要求3.工作稳定、可靠性好使用中避免发生：熄火、超温、超转、喘振等结构完整性安全可靠事故率：发动机故障引起飞行事故次数/10万小时空中停车率：空中停车次数/工作千小时（IFSD）返修率（ShopVisitRatio/1000hr）平均无故障时间(MeaningTimeBetweenFaults)2023年2月6日31二、使用性能要求4.寿命长两次返修之间发动机工作小时数军用:100-400小时民用:上千-上万小时5.其他

可维修性、低成本、低排放污染、低噪音等2023年2月6日32三、基本要求高推重比（高单位推力）低耗油率高稳定可靠性低成本低污染2023年2月6日33第一章

航空燃气涡轮发动机工作原理第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向2023年2月6日34第四节能量转换与效率一、能量转换航空发动机是（热机+推进器）的组合体热机热能机械能

热效率推进器机械能推进功

推进效率组合体热能机械能推进功

总效率2023年2月6日35二、热效率2023年2月6日36三、推进效率单位时间发动机对飞机所做推进功发动机每公斤工质单位时间对飞机所作推进功推进效率定义：2023年2月6日37三、推进效率两种极端情况当V0=0时，

p=0当V9=V0时，p=1（但Fs=V9

－V0＝0）

V9V00p1（0.5~0.75）有效功推进功的转换必有“损失”2023年2月6日38三、推进效率损失=有效功推进功=绝对坐标系中气流以绝对速度(V9

V0)排出发动机所带走的能量，称为“余速损失”若V0=0，则全部可用能以动能的形式损失在空间，不产生推进功。2023年2月6日39三、推进效率思考题发动机做地面台架试验，F=10000N，V9=500m/s，推进功和效率分别是多少？V0=0，推进功=0，推进效率=02023年2月6日40四、总效率发动机作为“热机+推进器”的效率。经济性指标，0.2~0.3提高总效率途径1、提高热效率，改善循环参数（提高、，高效率部件）2、提高推进效率（减少V9

－V0）2023年2月6日41四、总效率总效率与耗油率的关系飞行速度一定时，总效率与耗油率成反比飞行速度变化时，只能用总效率表示经济性飞行速度为零时，只能用耗油率表示经济性2023年2月6日42四、总效率2023年2月6日43对于涡喷发动机存在矛盾涡喷发动机将热力循环获得的机械能全部转换为气体的动能增量，进、排气速度差大，可提高热效率和增加推力但排气速度差大，推进效率低，总效率低经济性差，耗油率高能否在不降低发动机热效率的条件下，提高推进效率，改善低速飞行条件下的总效率降低耗油率？其他类型发动机四、总效率作业：V0=300m/s,V9=600m/s,qma=100kg/s,qmf=1kg/s，Hu=42900kJ/kg，求th

、p

、0

。2023年2月6日44第一章

航空燃气涡轮发动机工作原理第一节涡轮喷气发动机热力循环第二节推力公式第三节性能指标和基本要求第四节能量转换与效率第五节发展方向2023年2月6日45第五节发展方向要求：高单位推力、低耗油率单位推力、耗油率与热力循环关系2023年2月6日46第五节发展方向提高加热比（即T3*），可有效提高循环功，因此提高单位推力，但同时使耗油率增加；提高压气机增压比k，可提高热效率，降低耗油率，但导致单位推力下降；为获得高单位推力和低耗油率，随T3*的提高，相应提高压气机增压比2023年2月6日47第五节发展方向2023年2月6日48典型亚音速飞机发动机第五节发展方向2023年2月6日49典型军用发动机第一章小结推力的产生及推力公式性能指标热力循环及循环分析结果循环功、热效率与循环增压比、加热比的关系三个效率（th、p、0

）的定义、能量转换、损失发动机的发展方向为提高发动机推重比（单位推力），提高燃烧室出口温度T3*为降低耗油率，提高压气机增压比k*作业1、发动机推力与有效推力存