第5次课_航空燃气轮机基础知识..

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4
40
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2. 实际循环
1-2 多变压缩n >k 3-4 多变膨胀n’<k 2-3 等压加热 4-1 等压放热 1 4
p
2
3
表明压缩过程流动损失：
n1 n2 n3
c
n1 n2
( k 1) / k c 1 绝热压缩效率 c ( n 1) / n c 1
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4.2.1 发动机组成及简图
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航空发动机原理
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4.2.1 发动机组成及简图
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4.2.1 发动机组成及简图
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4.2.1 发动机组成及简图
图中所示连续不断进行进气和排气过程 的位置被称为飞机的短舱，短舱里有一个 装置可以使排气速度大于进气速度。
※ 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 的速度大于吸气的速度这一过程来获得向前飞 行的动力。但是飞机是依靠什么实现并维持这 一过程的呢？
※ 燃气涡轮发动机推力的产生
涡轮喷气发动机的工作，可划分为4个热力过程：绝热压

缩过程，定压加热过程，绝热膨胀过程，定压放热过程。 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 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“定压加热循环”。
p
2 3
3
1
1 4
0
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( k 1) / k ) ( 1) ( k 1) / k
wi wt ,i wc ,i c p (T3 T4 ) c p (T2 T1 )
或
c pT1[(1

( k 1) / k ) ( 1) ( k 1) / k
1

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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，
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（F）。
2、推力产生的原理
地面靠推地
2、推力产生的原理
水里靠推水
2、推力产生的原理
水里靠推水
水中推进用

理想循环
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。 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 ）和机械损失。
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§4.2 航空燃气轮机工作原理
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
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] c pT1[1 ( k 1) / k
1
1

( k 1) / k
]
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4.2.2 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 p
2 3
④ 等压放热过程 4~1
整个过程中，气体在压力不变的
3
1
1 4
情况下向大气放热；温度降低，比 容变小。
T3 T2
为 循环的加热比
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4.2.2 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 p
2
③ 绝热膨胀过程 3~4 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。 整个过程吸热为 0； 两个阶段： 0
3~3’ 在涡轮中完成，涡轮从 工质中获得的机械功为：
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4.2.1 发动机组成及简图
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§4.2 航空燃气轮机工作原理
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
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 环是涡轮喷气发动机的基础。
的螺旋桨
2、推力产生的原理
（1）螺旋桨推进 （ 两 种 方 式 ） （2）喷气推进 （又称吸气推进）
2、推力产生的原理
太空什么都没有， 靠喷推进剂，
2、推力产生的原理
还要利用万有引力
※ 燃气涡轮发动机推力的产生
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。
② 加热比 ：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
1 2 1 2 q v0 h0 w v h 2 2
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能量方程式
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4.2.2 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 p
2
① 绝热压缩过程 1~2
3
该过程在进气道和压气机内进行。 q12 0 整个过程吸热为0； 两个阶段：
这就是------
航 空 发 动 机
※ 燃气涡轮发动机推力的产生
最简单的涡喷发动机结构示意图
2、推力的产生原理
0 1 P0 9
推力是如何产生的？
A0 C0
P1 A1 A9
P9
C9
气体以速度C0进入发动机，
以C9的速度离开发动机，且C9的
P0 0 1 9
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。
wi q2 1 热效率 t ,i q 1 q 1 ( k 1) / k 1 1
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4.2.2 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
分析： 增压比
，加热比
和吸热量 q1，比功
wi ，
热效率 t ,i 之间的关系
随 t ,i ① 理想燃气轮机的热效率 t ,i 只与增压比 有关，
第四部分、燃气涡轮发动机基础知识
§ 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
4.2.1 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 § 4.3 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
p-V
V（比容）
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航空发动机原理
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 1. 理想循环
2 B 3
p
2
3
3
1
1 C T 4
0 T
p-V
3
V
1
4
3
4
图2.15 燃气轮机循环布置图
1-2 绝热压缩 3-4 绝热膨胀 2-3 等压加热 4-1 等压放热
1
0
2
1
S
T-S
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( n 1) /ຫໍສະໝຸດ Baidun e
e
1
1
( k 1) / k e
n3
e
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航空发动机原理
航空发动机原理
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 1. 理想循环 （1）衡量燃气发生器性能的指标
① 热效率 t ,i
② 比功 w
：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。 ：单位质量空气所作的功。
（2）表示理想燃气轮机循环工作状态的参数 ① 增压比

：压气机出口静压与周围大气压力之比。
q1 q23 c p (T3 T2 ) c pT1 ( ( k 1) / k ) q2 q41 c p (T4 T1 ) c pT1 ( ( k 1) / k 1)
wi q1 q2 c p (T3 T2 ) c p (T4 T1 ) c pT1[(1 1
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0
p-V
V
机械功为0：
w41 0
总放热量为：
q41 h4 h1 c p (T4 T1 ) c pT1 (


( k 1) / k
1)
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4.2.2 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

吸热量 放热量 比功
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 作用力是气体作用在发动机上的，就是发动机的推力。
以航空涡轮喷气发动机为例：
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

热力循环：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。
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§4.2 航空燃气轮机工作原理
4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
燃气发生器：是各类燃气轮机的热机部分，包括压气机、燃

烧室和带动压气机的那部分涡轮。 原理：利用工质重复地进行某些工作过程，同时不断吸热做 功。

3
3
1
1 4
p-V
V
w3 h3 h3
3’~4 在尾喷管或动力涡轮中 1 2 1 2 完成，单位工质所做的功为。 w4 2 v4 2 v3 h3 h3 h4

总机械功：
wt ,i w3 w4 h3 h4 c p (T3 T4 )
c pT3[1
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喷出的气流作用在
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。

由于发动机是连续地吸气、增压和喷气的，所
以，在发动机工作时，保持有连续推力的产生。
§4.2 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
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4.2.1 发动机组成及简图
n3
c
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4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2. 实际循环
1-2 多变压缩n >k 3-4 多变膨胀n’<k 2-3 等压加热 4-1 等压放热 1 4
p
2
3
表明膨胀过程流动损失：
n2 n3 n1
e
n2
n1
1
绝热膨胀效率
增大而单调增加； ② 在加热比 一定得条件下，有一个使比功达最大值的增
压比，称为最佳增压比，记为 opt ，最佳增压比随加热
比增大而增大； ③ 在增压比相同的条件下，比功 wi 随加热比增大而增大。
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4.2.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2. 实际循环
① 在压缩和膨胀两个绝热过程中，由于存 在流动损失，过程中熵增加，因此将绝 p 热过程改成多变过程，n代替k。 ② 把燃烧室的压力损失归入总的膨胀过程， 而燃烧过程仍可看做等压加热过程。 1-2 多变压缩n >k 3-4 多变膨胀n’<k
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3
2-3 等压加热 4-1 等压放热
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1~1’ 迎面高速气流在进气道 中的绝能流动，使工质减速增加；

3
1
1 4
0
p-V
V
wc1,i

h1 h1
1 2 1 2 v1 v1 2 2
1’~1 压气机对工质做功。
wc 2,i w1, 2 h2 h1
总机械功：
wc ,i wc1,i wc 2,i h2 h1 c p (T2 T1 ) c pT1[ ( k 1) / k 1]
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4.2.2 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 p
2 3
② 等压加热过程 2~3 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， 比容增大。 0 工质所做的机械功为0：w23 0

3
1
1 4
p-V
V
工质吸热量： q23 h3 h2 c p (T3 T2 ) c pT1( ( k 1) / k )