第二节 发动机特性
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k
Pt W
t
= =
η
q
ma
C p ′T
[1
(π
* t
1 )
k ′ 1 k ′
]η
* t
影响加速性的因素 – 转动惯量 – 慢车转速 – 剩余功率
增加涡轮功
– 提高涡轮前温度
耐热限制 喘振限制 富油熄火限制
– 提高膨胀比
调节 调节A8
加速过程工作线
转速、 转速、推力 ~ 加速时间
2. 减速过程
最大状态(Max) 最大状态 – 推力最大 FMax n=nMax T3*=T3*Max – 连续工作时间 t ≤ 5~10min – 主要用于快速起飞 爬升、机动飞行 主要用于快速起飞\爬升 爬升、 – 第四代战斗机超音巡航时发动机工作状态 额定 最大连续状态 额定/最大连续状态 最大连续状态(Nom) – – – 推力=85-90% Fmax n ≤ nMax T3*< T3*Max 推力 < 连续工作时间 t ≤ 30~60min 主要用于起飞\爬升、高速飞行 主要用于起飞 爬升、 爬升
η 0max Ma=2.5~3
飞行 变化时， 飞行Ma变化时， 变化时 发动机对超音速 进气道工作点和 特性的影响。 特性的影响。 飞行Ma增加 增加， 飞行 增加，将 使发动机流通能 力下降， 力下降，进气道 进入亚临界状态： 进入亚临界状态： 引起喘振、 引起喘振、溢流 损失。 损失。
三、高度特性
1.加速过程 加速过程
加速过程
– 慢车状态 → 最大状态 – 巡航状态 → 最大状态
转速迅速增加的过程 2π n 加速性 ω = 60 推力迅速增加的能力 用完成加速过程所需时间 J d (ω ) = ( P η P ) / ω t m k dt 表示加速性
dω J = Mt Mk M dt dω J = M tη m M k dt P = Mω
耗油率
耗油率随 单调 耗油率随Ma单调 增加， 增加，并不意味经 济性变差， 济性变差，因在飞 行Ma变化时只能 变化时只能 用总效率评价经济 性。 总效率随飞行 总效率随飞行 飞行Ma 先增后降。 先增后降。
SFC
3600 a 0 M 3600 f = = Fs Hu η 0
a
η 0 = η th η p
空中起动
– 发动机处于自转状态 n > n’ , 在允许范围内点火起动 在允许范围内点火起动.
发动机特性与飞行性能关系
右图表示某一飞行高 度发动机推力与飞机 需用推力随飞行马赫 数的变化
– 交点决定最大飞行马 赫数 – 差值决定飞机的加速 度、爬升率等机动性 能。
巡航飞行航程： 巡航飞行航程：
3600 V 0 K Wi ln( ) L = SFC g We
一、油门特性
定义：一定飞行条件下，发动机推力、耗油率 定义：一定飞行条件下，发动机推力、 随发动机油门位置的变化关系。 随发动机油门位置的变化关系。 典型工作状态
油门位置变化导致燃油流量变化 → 节流特性 燃油流量变化引起转速变化 → 转速特性
一、转速特性
1. 几何面积不可调发动机的转 速特性 推力变化 从发动机共同工作线看,当转 从发动机共同工作线看 当转 速从最大转速下降时引起: 速从最大转速下降时引起 增压比减小,压气机功减小 增压比减小 压气机功减小, 压气机功减小 涡轮前温度降低, 涡轮前温度降低 排气压力 和温度降低, 排气速度减小. 和温度降低 排气速度减小 空气流量减小 空气流量减小.
第二节 发动机特性
发动机特性
发动机性能参数(F， 随飞行条件(Ma，H)以及发动 发动机性能参数 ，SFC)随飞行条件 随飞行条件 ， 以及发动 机油门位置的变化关系。 机油门位置的变化关系。
重要意义
飞机的飞行性能与发动机特性密切相关。 飞机的飞行性能与发动机特性密切相关。
特性包括
– 油门特性：给定飞行条件和调节规律，性能随油门 油门特性：给定飞行条件和调节规律， 位置的变化； 位置的变化； – 速度特性：给定油门、调节规律和飞行高度，性能 速度特性：给定油门、调节规律和飞行高度， 随飞行马赫数的变化； 随飞行马赫数的变化； – 高度特性：给定油门、调节规律和飞行速度，性能 高度特性：给定油门、调节规律和飞行速度， 随飞行高度的变化； 随飞行高度的变化； – 过渡状态特性：启动、加速、减速等过程性能变化。 过渡状态特性：启动、加速、减速等过程性能变化。
f
转子动力学方程 Pt — 剩余功率 dn/dt > 0 , Pt > 0
dn J( ) n = Pt 30 dt
2 t
π
t =
∫ dt
0
= J(
π
30
n Max
)
2
∫
n Idle
n dn Pt
t
t
=
∫
0
dt q
mg
= W
* 3
J (
t
π
30
m
n
Max
)
2 n
∫
Idle
n dn Pt W
Fs =
2W + V0 V0
2
Fs = V9 V0
Fs随Ma的增加 随 的增加 单调减小
两者综合作用引起 推力呈先升后降 推力最大对应于： 推力最大对应于：
Ma ≈ 1. 5 ~ 2.2 因单位推力随飞行 Ma单调下降，导致 单调下降， 单调下降 耗油率单调增加。 耗油率单调增加。
F = q ma × Fs 3600 f s fc = Fs
dn/dt < 0 , Pt < 0 减少燃烧室供油，降 减少燃烧室供油， 低涡轮前温度，减少 低涡轮前温度， 涡轮输出功率 受燃烧室贫油熄火限 制 涡扇发动机要受风扇 喘振限制
3. 起动过程
地面起动
– 0转速到慢车状态 转速到慢车状态 – 必须靠外动力源
分三个阶段
I 起动机带转 II 起动机和涡轮共同带转 III 涡轮单独带转 n1 – 点火转速 n’ – 最小平衡转速 n2 – 起动机脱开转速
典型工作状态
巡航状态( Cru ) 巡航状态
– 推力 推力=65-75% Fmax
n =80-90% nMax T3*和耗油率低 和耗油率低
– 连续工作时间不受限制 – 主要用于长时间的亚音飞行 运输机的主要发动机工作状态 慢车状态 Idle ) 慢车状态( – – – 推力=3-5% Fmax n 30% nMax T3*→ T3*Max 推力 → 连续工作时间 t ≤ 5min 主要用于下滑\着陆 , 起飞待命等 主要用于下滑 着陆
由共同工作线知，随飞行 由共同工作线知，随飞行Ma 增加，工作点沿工作线下移， 增加，工作点沿工作线下移，
压气机增压比减小 高超音速飞机发动 机 → 冲压发动机
单位推力的变化
的增加， 随Ma的增加，进 的增加 气总温增加， 气总温增加，压气 机出口总温增加， 机出口总温增加， 使循环加热量不断 减小， 减小，循环功减小 。
2. 可变几Biblioteka 面积 的转速特性尾喷管临界截面 积A8可调 调大A 调大 8共同工作 线下移 SM↑ ↑ 增压比 ↓ 涡轮前温度 ↓ 排气速度 ↓ 推力 ↓
2. 可变几何面积 的转速特性
压气机之间级放气
放气使 SM↑ ↑ 被放掉的气体: 被放掉的气体 消耗了压缩功 消耗了压缩功; 不参与涡轮作功 单位涡 不参与涡轮作功,单位涡 轮功↑ 涡轮前温度↑ 轮功↑, 涡轮前温度↑ 增压比 ↓ 排气燃气流量↓ 排气燃气流量↓
推力随转速降低而减小
涡轮前温度 当转速从最大转速开始降低时, 压气机增压比减小， 当转速从最大转速开始降低时 压气机增压比减小，压 气机功减小，功平衡关系，涡轮前温度下降； 气机功减小，功平衡关系，涡轮前温度下降； 当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远 由于各部件偏离设计状态较远,效 当转速降低到一定时 由于各部件偏离设计状态较远 效 率降低, 率降低 只有保持较高的涡轮前温度才能维持功率平衡 关系，涡轮前温度回升。 关系，涡轮前温度回升。 慢车状态时涡轮前温度接近最高允许值 耗油率变化 当转速从最大转速开始降低时 由于压气机增压比还比 当转速从最大转速开始降低时, 较高且效率较高, 涡轮前温度降低, 耗油率有所下降； 较高且效率较高 涡轮前温度降低 耗油率有所下降； 当转速降低到一定时 由于各部件偏离设计状态较远 各 当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远 由于各部件偏离设计状态较远,各 部件效率降低, 压气机增压比大大降低, 部件效率降低 压气机增压比大大降低 循环热效率降 耗油率随之上升。 低, 耗油率随之上升。 耗油率随转速降低呈先减小后上升的变化 喘振裕度的变化 转速降低引起压气机喘振裕度下降，必须防喘。 转速降低引起压气机喘振裕度下降，必须防喘。
定义： 定义：
发动机工作状态一定 调节规律一定 飞行速度一定 发动机推力， 发动机推力，耗油率随 飞行高度的变化关系
高度变化引起气压、 高度变化引起气压、 气温变化。 气温变化。 11公里以上气温基本 公里以上气温基本 不变
高度特性
典型高度特性
高度增加，气流密度 高度增加， 下降使空气流量显著减小， 下降使空气流量显著减小， 推力↓ 推力↓ 决定了飞机的升限 H < 11km 随高度增加， 随高度增加，气温减小 使循环加热比增加， 使循环加热比增加， 单位推力增加， 单位推力增加， 耗油率↓ 耗油率↓ H ≥ 11km 随高度增加， 随高度增加，气温不 单位推力不变， 变，单位推力不变， 耗油率→ 巡航高度一般为11公里 公里。 耗油率→ 巡航高度一般为 公里。
速度-高度特性 速度 高度特性
由发动机决定
飞行包线
四、过渡过程特性
发动机性能及主要参数短时间内发生显 著变化的过程为过渡过程（动态过程） 著变化的过程为过渡过程（动态过程） 发动机性能及主要参数为时间的函数 典型过渡过程
– 起动 停车 起动/停车 – 加速 减速 加速/减速 – 接通/切断加力 接通 切断加力
推力 = qma×Fs
流量变化
的增加， 随Ma的增加，速度冲压作用 的增加 使发动机总增压比呈迅速上 升趋势， 升趋势，
k 1 M ) π ∑ = π iπ k = (1 + 2 * p3 = p0π ∑σ iσ b
* * qma ≈ qmg ∝ p3
k 2 k 1 a
* πk
qma 随飞行 增加 随飞行Ma增加 而加大。 而加大。 压气机增压比变化
推力 ↓ 耗油率↑
2. 可变几何面积 的转速特性
可调压气机静子叶片 角度
调节角度使 – SM↑ ↑ – 空气流量 ↓ – 增压比 ↓
推力 ↓ 耗油率↑
3. 大气条件对转速 特性的影响
气温增加
– 推力下降 – 耗油率上升
气压降低
– 推力下降 – 耗油率不变
二、速度特性
定义 发动机工作状态一定 调节规律一定 飞行高度一定 发动机推力，耗油率 发动机推力， 随飞行Ma的变化关系 随飞行 的变化关系 推力先升后降 马鞍形 推力先升后降(马鞍形 马鞍形) 耗油率单调增加 假定采用调节规律： 假定采用调节规律： n = nd， T3* = T3*d
Pt W
t
= =
η
q
ma
C p ′T
[1
(π
* t
1 )
k ′ 1 k ′
]η
* t
影响加速性的因素 – 转动惯量 – 慢车转速 – 剩余功率
增加涡轮功
– 提高涡轮前温度
耐热限制 喘振限制 富油熄火限制
– 提高膨胀比
调节 调节A8
加速过程工作线
转速、 转速、推力 ~ 加速时间
2. 减速过程
最大状态(Max) 最大状态 – 推力最大 FMax n=nMax T3*=T3*Max – 连续工作时间 t ≤ 5~10min – 主要用于快速起飞 爬升、机动飞行 主要用于快速起飞\爬升 爬升、 – 第四代战斗机超音巡航时发动机工作状态 额定 最大连续状态 额定/最大连续状态 最大连续状态(Nom) – – – 推力=85-90% Fmax n ≤ nMax T3*< T3*Max 推力 < 连续工作时间 t ≤ 30~60min 主要用于起飞\爬升、高速飞行 主要用于起飞 爬升、 爬升
η 0max Ma=2.5~3
飞行 变化时， 飞行Ma变化时， 变化时 发动机对超音速 进气道工作点和 特性的影响。 特性的影响。 飞行Ma增加 增加， 飞行 增加，将 使发动机流通能 力下降， 力下降，进气道 进入亚临界状态： 进入亚临界状态： 引起喘振、 引起喘振、溢流 损失。 损失。
三、高度特性
1.加速过程 加速过程
加速过程
– 慢车状态 → 最大状态 – 巡航状态 → 最大状态
转速迅速增加的过程 2π n 加速性 ω = 60 推力迅速增加的能力 用完成加速过程所需时间 J d (ω ) = ( P η P ) / ω t m k dt 表示加速性
dω J = Mt Mk M dt dω J = M tη m M k dt P = Mω
耗油率
耗油率随 单调 耗油率随Ma单调 增加， 增加，并不意味经 济性变差， 济性变差，因在飞 行Ma变化时只能 变化时只能 用总效率评价经济 性。 总效率随飞行 总效率随飞行 飞行Ma 先增后降。 先增后降。
SFC
3600 a 0 M 3600 f = = Fs Hu η 0
a
η 0 = η th η p
空中起动
– 发动机处于自转状态 n > n’ , 在允许范围内点火起动 在允许范围内点火起动.
发动机特性与飞行性能关系
右图表示某一飞行高 度发动机推力与飞机 需用推力随飞行马赫 数的变化
– 交点决定最大飞行马 赫数 – 差值决定飞机的加速 度、爬升率等机动性 能。
巡航飞行航程： 巡航飞行航程：
3600 V 0 K Wi ln( ) L = SFC g We
一、油门特性
定义：一定飞行条件下，发动机推力、耗油率 定义：一定飞行条件下，发动机推力、 随发动机油门位置的变化关系。 随发动机油门位置的变化关系。 典型工作状态
油门位置变化导致燃油流量变化 → 节流特性 燃油流量变化引起转速变化 → 转速特性
一、转速特性
1. 几何面积不可调发动机的转 速特性 推力变化 从发动机共同工作线看,当转 从发动机共同工作线看 当转 速从最大转速下降时引起: 速从最大转速下降时引起 增压比减小,压气机功减小 增压比减小 压气机功减小, 压气机功减小 涡轮前温度降低, 涡轮前温度降低 排气压力 和温度降低, 排气速度减小. 和温度降低 排气速度减小 空气流量减小 空气流量减小.
第二节 发动机特性
发动机特性
发动机性能参数(F， 随飞行条件(Ma，H)以及发动 发动机性能参数 ，SFC)随飞行条件 随飞行条件 ， 以及发动 机油门位置的变化关系。 机油门位置的变化关系。
重要意义
飞机的飞行性能与发动机特性密切相关。 飞机的飞行性能与发动机特性密切相关。
特性包括
– 油门特性：给定飞行条件和调节规律，性能随油门 油门特性：给定飞行条件和调节规律， 位置的变化； 位置的变化； – 速度特性：给定油门、调节规律和飞行高度，性能 速度特性：给定油门、调节规律和飞行高度， 随飞行马赫数的变化； 随飞行马赫数的变化； – 高度特性：给定油门、调节规律和飞行速度，性能 高度特性：给定油门、调节规律和飞行速度， 随飞行高度的变化； 随飞行高度的变化； – 过渡状态特性：启动、加速、减速等过程性能变化。 过渡状态特性：启动、加速、减速等过程性能变化。
f
转子动力学方程 Pt — 剩余功率 dn/dt > 0 , Pt > 0
dn J( ) n = Pt 30 dt
2 t
π
t =
∫ dt
0
= J(
π
30
n Max
)
2
∫
n Idle
n dn Pt
t
t
=
∫
0
dt q
mg
= W
* 3
J (
t
π
30
m
n
Max
)
2 n
∫
Idle
n dn Pt W
Fs =
2W + V0 V0
2
Fs = V9 V0
Fs随Ma的增加 随 的增加 单调减小
两者综合作用引起 推力呈先升后降 推力最大对应于： 推力最大对应于：
Ma ≈ 1. 5 ~ 2.2 因单位推力随飞行 Ma单调下降，导致 单调下降， 单调下降 耗油率单调增加。 耗油率单调增加。
F = q ma × Fs 3600 f s fc = Fs
dn/dt < 0 , Pt < 0 减少燃烧室供油，降 减少燃烧室供油， 低涡轮前温度，减少 低涡轮前温度， 涡轮输出功率 受燃烧室贫油熄火限 制 涡扇发动机要受风扇 喘振限制
3. 起动过程
地面起动
– 0转速到慢车状态 转速到慢车状态 – 必须靠外动力源
分三个阶段
I 起动机带转 II 起动机和涡轮共同带转 III 涡轮单独带转 n1 – 点火转速 n’ – 最小平衡转速 n2 – 起动机脱开转速
典型工作状态
巡航状态( Cru ) 巡航状态
– 推力 推力=65-75% Fmax
n =80-90% nMax T3*和耗油率低 和耗油率低
– 连续工作时间不受限制 – 主要用于长时间的亚音飞行 运输机的主要发动机工作状态 慢车状态 Idle ) 慢车状态( – – – 推力=3-5% Fmax n 30% nMax T3*→ T3*Max 推力 → 连续工作时间 t ≤ 5min 主要用于下滑\着陆 , 起飞待命等 主要用于下滑 着陆
由共同工作线知，随飞行 由共同工作线知，随飞行Ma 增加，工作点沿工作线下移， 增加，工作点沿工作线下移，
压气机增压比减小 高超音速飞机发动 机 → 冲压发动机
单位推力的变化
的增加， 随Ma的增加，进 的增加 气总温增加， 气总温增加，压气 机出口总温增加， 机出口总温增加， 使循环加热量不断 减小， 减小，循环功减小 。
2. 可变几Biblioteka 面积 的转速特性尾喷管临界截面 积A8可调 调大A 调大 8共同工作 线下移 SM↑ ↑ 增压比 ↓ 涡轮前温度 ↓ 排气速度 ↓ 推力 ↓
2. 可变几何面积 的转速特性
压气机之间级放气
放气使 SM↑ ↑ 被放掉的气体: 被放掉的气体 消耗了压缩功 消耗了压缩功; 不参与涡轮作功 单位涡 不参与涡轮作功,单位涡 轮功↑ 涡轮前温度↑ 轮功↑, 涡轮前温度↑ 增压比 ↓ 排气燃气流量↓ 排气燃气流量↓
推力随转速降低而减小
涡轮前温度 当转速从最大转速开始降低时, 压气机增压比减小， 当转速从最大转速开始降低时 压气机增压比减小，压 气机功减小，功平衡关系，涡轮前温度下降； 气机功减小，功平衡关系，涡轮前温度下降； 当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远 由于各部件偏离设计状态较远,效 当转速降低到一定时 由于各部件偏离设计状态较远 效 率降低, 率降低 只有保持较高的涡轮前温度才能维持功率平衡 关系，涡轮前温度回升。 关系，涡轮前温度回升。 慢车状态时涡轮前温度接近最高允许值 耗油率变化 当转速从最大转速开始降低时 由于压气机增压比还比 当转速从最大转速开始降低时, 较高且效率较高, 涡轮前温度降低, 耗油率有所下降； 较高且效率较高 涡轮前温度降低 耗油率有所下降； 当转速降低到一定时 由于各部件偏离设计状态较远 各 当转速降低到一定时,由于各部件偏离设计状态较远 由于各部件偏离设计状态较远,各 部件效率降低, 压气机增压比大大降低, 部件效率降低 压气机增压比大大降低 循环热效率降 耗油率随之上升。 低, 耗油率随之上升。 耗油率随转速降低呈先减小后上升的变化 喘振裕度的变化 转速降低引起压气机喘振裕度下降，必须防喘。 转速降低引起压气机喘振裕度下降，必须防喘。
定义： 定义：
发动机工作状态一定 调节规律一定 飞行速度一定 发动机推力， 发动机推力，耗油率随 飞行高度的变化关系
高度变化引起气压、 高度变化引起气压、 气温变化。 气温变化。 11公里以上气温基本 公里以上气温基本 不变
高度特性
典型高度特性
高度增加，气流密度 高度增加， 下降使空气流量显著减小， 下降使空气流量显著减小， 推力↓ 推力↓ 决定了飞机的升限 H < 11km 随高度增加， 随高度增加，气温减小 使循环加热比增加， 使循环加热比增加， 单位推力增加， 单位推力增加， 耗油率↓ 耗油率↓ H ≥ 11km 随高度增加， 随高度增加，气温不 单位推力不变， 变，单位推力不变， 耗油率→ 巡航高度一般为11公里 公里。 耗油率→ 巡航高度一般为 公里。
速度-高度特性 速度 高度特性
由发动机决定
飞行包线
四、过渡过程特性
发动机性能及主要参数短时间内发生显 著变化的过程为过渡过程（动态过程） 著变化的过程为过渡过程（动态过程） 发动机性能及主要参数为时间的函数 典型过渡过程
– 起动 停车 起动/停车 – 加速 减速 加速/减速 – 接通/切断加力 接通 切断加力
推力 = qma×Fs
流量变化
的增加， 随Ma的增加，速度冲压作用 的增加 使发动机总增压比呈迅速上 升趋势， 升趋势，
k 1 M ) π ∑ = π iπ k = (1 + 2 * p3 = p0π ∑σ iσ b
* * qma ≈ qmg ∝ p3
k 2 k 1 a
* πk
qma 随飞行 增加 随飞行Ma增加 而加大。 而加大。 压气机增压比变化
推力 ↓ 耗油率↑
2. 可变几何面积 的转速特性
可调压气机静子叶片 角度
调节角度使 – SM↑ ↑ – 空气流量 ↓ – 增压比 ↓
推力 ↓ 耗油率↑
3. 大气条件对转速 特性的影响
气温增加
– 推力下降 – 耗油率上升
气压降低
– 推力下降 – 耗油率不变
二、速度特性
定义 发动机工作状态一定 调节规律一定 飞行高度一定 发动机推力，耗油率 发动机推力， 随飞行Ma的变化关系 随飞行 的变化关系 推力先升后降 马鞍形 推力先升后降(马鞍形 马鞍形) 耗油率单调增加 假定采用调节规律： 假定采用调节规律： n = nd， T3* = T3*d