燃气涡轮发动机第4~6章讲义

燃气涡轮发动机：第四章 发动机特性
4．2 涡轮风扇发动机
4．2．1工作原理及特点
涡轮风扇发动机有内涵和外涵两个通道。空气经过风扇之后分成
两路：一路是内涵气流，经低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压
涡轮、低压涡轮，燃气从喷管排出；另一路是外涵气流，风扇后空气
经外涵道直接排入大气或同内涵燃气一起在喷管排出。也就是说，涡
涡扇发动机的推力和燃油消耗率随发动机转速、飞行
速度和飞行高度的变化规律称为：流过内涵的空气流量、单位推力和涵
道比。影响燃油消耗率的因素有：油气比、单位推力和涵
道比。
燃气涡轮发动机：第四章 发动机特性
这里转速特性所指的发动机转速是高压转子转速，推力随转速的增大 而一直增大；燃油消耗率随转速增大开始降低得较快，后来下降缓慢， 到接近最大转速时有所增加（见图4-5）。
分别组成低压转子和高压转子，它们在各自的转速下工作。两个转子
会随着各自负荷的变化自动地调整其转速。双转子与单转子发动机相
比有以下优点：
-双转子可使压气机在更宽的范围内稳定工作，是防喘的有效措施；
-双转子的压气机具有更高的增压比，可以产生更大的推力；
-双转子在发动机低转速下具有较高的压气机效率和较低的涡轮前总 温，在低转速工作时，燃油消耗率比单转子发动机低得多；
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4．1．3发动机的特性
1．民航发动机常用的工作状态 -最大起飞工作状态，不使用喷水时批准使用的最大起飞推力，该推
力级别使用有时间限制，仅用于起飞； -最大连续工作状态，这是批准发动机连续使用的最大推力，为延长
发动机寿命，这个级别推力在驾驶员的判断下保证安全飞行使用； -最大巡航工作状态，巡航时批准使用的最大推力； -慢车工作状态，这是发动机能够保持稳定工作的最小转速，用于在
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在给定的调节规律下，保持发动机的转速和飞行高度不变时，发动机 的推力和燃油消耗率随飞行速度（或马赫数）的变化规律叫速度特性。 （见图4-4）。
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4．1．4双转子涡喷发动机
双转子即低压涡轮驱动低压压气机，高压涡轮驱动高压压气机，
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发动机稳态下的共同工作条件有（以单轴发动机为例）： -转速一致，单轴涡喷发动机，压气机和涡轮的转速是同一的； -流量连续，流过涡轮的燃气流量等于流入压气机的空气流量加上进
入燃烧室的燃油流量，再减去引气系统引出的空气流量，如果假设燃 油流量近似于引气流量，则简化为流过涡轮的燃气流量等于流入压气 机的空气流量； -压力平衡，涡轮进口燃气总压等于压气机出口总压乘以燃烧室的总 压恢复系数； -功率平衡，压气机消耗功等于涡轮输出的功乘以机械效率。
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4．3 涡轮螺桨发动机
4．3．1工作原理和结构特点
当从涡喷发动机基本部分（常常称为燃气发生器）的排气用于旋
转附加的涡轮并通过减速器驱动螺旋桨时，这就是涡桨发动机。在某
些涡桨发动机，附加功率直接从压气机传动轴驱动螺旋桨减速器产生。
这种类型称为直接传动涡轮螺桨发动机。在现代涡轮螺桨发动机中更
多的有自由涡轮，它独立于驱动压气机的涡轮，在发动机排气流中自
由转动。自由涡轮轴通过减速器驱动螺旋桨。
所以，涡轮螺桨发动机其涡轮既带动压气机也带动螺旋桨。约
2/3的涡轮功率用来转动压气机，其余的1/3用来转动螺旋桨和传动附
件。涡桨发动机的拉力绝大部分由螺旋桨产生，而只有10~15%由喷气
产生。
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地面或空中以最低推力工作。 此外，还有最大爬升即正常爬升批准的最大推力工作状态及反推力工
作状态。最大复飞推力是飞机复飞时允许使用的最高推力。
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2．发动机特性
发动机推力和燃油消耗率(简称耗油 率)，随着发动机的转速，飞行速度， 飞行高度的变化规律称为发动机特 性，有转速特性，高度特性和速度 特性。
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自由涡轮式涡桨发动机的另一种结构形式是空气和燃气流动方向从后向前， 这样的结构提供设计上较大的灵活性。加拿大普惠公司的PT6发动机是这样发 动机的一个例子。它是重量轻，其自由涡轮可产生600到1000轴马力的发动机。 发动机有两个独立对转的涡轮。一个涡轮驱动压气机，另一个通过减速器驱 动螺旋桨。基本发动机的压气机包括3级轴流式压气机同1级离心式压气机， 安装在同一个轴上（见图4-11）。
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4．1．2过渡态下的共同工作
发动机过渡态包括启动、加速和减速工作状态。要使发动机从某
一转速增加到另一转速，涡轮输出的功率必须大于压气机所消耗的功
率，通常将涡轮功率与压气机功率之差叫做剩余功率。所以发动机加
速的必要条件是要有剩余功率。
改变发动机转速的最好方法是改变涡轮前温度以改变涡轮功率，而改 变涡轮前温度可通过改变供油量来实现。快推油门时，发动机转速快 速上升的能力叫加速性。加速性的好坏由加速时间来衡量。加速时间 通常指从慢车转速加速到最大转速或某一高转速的时间。加速时间越 短，加速性越好。
扇发动机可以是分开排气的或混合排气的，可以是短外涵的或长外涵
（全涵道）的。通过外涵的空气质量流量和通过内涵的空气质量流量
之比称为涵道比。风扇可作为低压压气机的第1级由低压涡轮驱动，
也可以由单独的涡轮驱动。
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涡扇发动机的推力由两部分组成：内涵产生的推力和外涵产生的推力。 对于高涵道比涡扇发动机，风扇产生的推力占到78%以上。涡扇发动 机的工作是以质量附加原理为基础的。作为热机，发动机获得一定的 机械能之后，通过将这部分可用能重新分配，将内涵的一部分可用能 通过涡轮驱动风扇传递给外涵，增加发动机的总空气流量，减低排气 速度，降低噪音，增大发动机推力，降低耗油率，这就是质量附加原 理。
目前使用的涡桨发动机有三 种形式：单轴的——压气机 和螺旋桨用一个轴带动；双 轴的——一个涡轮轴带动部 分级压气机，第二个涡轮轴 带动其余级的压气机和螺旋 桨；第3种是一个涡轮带动 压气机，另一个涡轮带动螺 旋桨（见图4-10）。采用两 个单独的涡轮会使发动机构 造复杂，但可分别调整压气 机和螺旋桨的转速。
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涡轮功率与压气机功率平衡是暂时的、相对的、有条件的。当外界条 件（飞行高度、速度和大气状态）发生变化或部件性能参数发生变化 时，都将使涡轮功率和压气机功率发生变化，不能保持平衡。由于发 动机各个部件是协同工作的，它们相互影响，相互制约。
例如，飞行高度上升，由于大气密度减小，进入发动机的空气流量减 少，引起涡轮前燃气总温升高，使涡轮功增大，发动机转速会增大。 为了保持发动机转速不变，应适当减少供油量来控制涡轮前总温，使 涡轮功率等于压气机功率。
和涡轮的共同工作。通常将压气机、燃烧室和涡轮称为燃气发生器。
研究压气机和涡轮的共同工作是研究各种类型燃气涡轮发动机各部件
共同工作的基础。
发动机工作时转子不停的转动，按转子转动情况可把发动机工作分为 稳态工作和过渡态工作。稳态是指发动机在某一转速下连续工作状 态；过渡态是指发动机从某一转速变到另一转速的工作状态。共同工 作也就两种状态下进行讨论。
保持飞行高度和飞行速度不变的情 况下，发动机推力和燃油消耗率随 发动机转速的变化规律叫发动机转 速特性（见图4-1）。
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大气温度上升，空气密度减小， 在同样的转速下，流过发动机 的空气流量减小，压气机增压 比下降，使发动机推力减小， 使燃油消耗率增加。大气压力 上升，使总压上升，造成流量 和各截面的总压增加，推力增 加，但燃油消耗率不受影响 （见图4-2）。
其他附件需要的功率，而且输出最大可能的扭矩到螺旋桨轴。推进是
由在前面的螺旋桨和在后面的喷管组合作用产生的。在标准日、海平
面、静态条件下，典型的涡桨发动机的螺旋桨负责总推力约90%。这
个百分数随空速、排气喷管面积、和在较小程度上随温度、压力和发
动机功率变化。供给螺旋桨的功率称为轴功率（SHP），计算总的功
在高亚音速范围内与涡喷发动机相比较，涡扇发动机具有推力大、推 进效率高、噪音低、燃油消耗率低等优点。涡扇发动机的缺点是风扇 直径大，迎风面积大，因而阻力大，发动机结构复杂，其速度特性不 如涡喷发动机。它适合于高亚音速飞行，广泛应用于民航干线飞机。
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4．2．2涡扇发动机特性
-双转子发动机具有良好的加速性；
-双转子发动机启动时，启动机只带动一个转子，可用功率较小的启 动机。
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高压转子的共同工作条件与单转子发动机中压气机和涡轮的共同工作 条件一样，即：转速一致，流量连续，压力平衡和功率平衡。
保持高压转子在某个转速稳定工作是通过控制供油量来控制涡轮前燃 气总温，使高压涡轮输出功等于高压压气机消耗功，此时低压转子自 动的建立平衡。当调节供油量，高压涡轮前燃气温度为一定数值，相 应的低压涡轮前燃气温度也就具有某一定数值。这样，低压涡轮输出 的功也就有一定值，带动低压压气机到达某一转速，从而使低压压气 机所消耗的功恰好等于低压涡轮输出的功，低压转子便自动地稳定在 该转速下工作。
如果涡轮功率小于压气机功率时，发动机处于减速状态。减速过程中，在任 何一个转速下的供油量比同一转速下稳定工作时的供油量小，混合气贫油。 如果供油量减少过多，余气系数过大，会超出贫油极限而熄火，即减速过程 受到贫油熄火的限制。
发动机从静止状态开始运转到转速达到慢车转速的过程叫启动过程，详见启 动和点火系统。
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第四章 发动机特性
本章对涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和涡轮轴发
动的工作特性和一些特征进行简要说明。
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4．1 涡轮喷气发动机
4．1．1稳态下的共同工作
发动机几大部件组合在一起构成发动机本体，其共同工作，对于
进气道和喷管面积不可调的发动机来说，实际上就是压气机、燃烧室
燃气涡轮发动机：第四章 发动机特性
讨论高度特性时假设涡轮前温度不变。随飞行高度上升时，推力一直 减小；燃油消耗率在11 000米以下随高度增加减小，在11 000米以上， 燃油消耗率保持不变（见图4-6）。
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讨论速度特性时假设涡轮前温度不变。随飞行速度增大，涵道比也增大。单 位推力随飞行速度增加而下降。所以，随飞行速度的增加推力将减小，特别 是高涵道比发动机，发动机的推力随飞行速度的增加一直是减小的。燃油消 耗率随飞行速度的增加而增加。低涵道比发动机上升的较慢；高涵道比发动 机上升的较快（见图4-7，4-8，4-9）。
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4．3．2涡桨发动机工作特性
涡轮螺桨发动机组合了涡轮喷气发动机的优点同螺旋桨的推进效
率。涡轮喷气发动机通过迅速加速相对小的空气质量产生它的推力，
涡轮螺桨对相对大的空气质量施加较少的加速产生拉力。涡桨发动机
的涡轮设计成从膨胀的燃气中吸收大量的能量不仅提供满足压气机和
燃气涡轮发动机：第四章 发动机特性
为缩短加速时间应尽可能增大涡轮前燃气总温，以增大剩余功率。但是，它 受到几种限制：压气机喘振的限制，涡轮超温的限制，燃烧室富油熄火的限 制以及超转限制。
大气温度降低、大气压力升高、飞行速度增大时，引起空气流量增大，剩余 功率随之增大，发动机加速时间短，加速性变好。飞行高度升高，除因空气 流量减少，加速性变差外，还由于高空燃烧条件变差，稳定燃烧范围缩小， 供油量增加受到限制，加速性变差。
大气湿度上升，空气密度下降， 空气流量下降，发动机推力将 下降，但对涡轮发动机来说， 由于进入发动机的空气仅有1/4 用于燃烧，大部分空气用于冷 却，所以对推力影响不大。然 而，对活塞发动机而言，湿度 增加将影响输出功率。
燃气涡轮发动机：第四章 发动机特性
在给定的调节规律下，保持发动机的转速和飞行速度不变时，发动机 的推力和燃油消耗率随飞行高度的变化规律叫高度特性。（见图43）。