第13讲 涡轮螺桨发动机
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Turbo-prop engine
8.1 涡桨发动机概述
活塞式+螺旋桨 （二战前）
音 障 功率小 限低空
涡 喷 （20世纪40~50年代）
经济性
涡 扇 （ 20世纪60年代）
涡
桨
（20世纪40年代末~50年代初）
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
涡桨６发动机：装备运８
8.1 涡桨发动机概述
8.6 涡轮螺桨发动机特性 1、速度特性 给定飞行高度，并设调节规律为：n=nmax=常数 和T4*=T4*max=常数
随着飞行速度c0的增 大，ηPr下降，螺桨 拉力将迅速下降
8.6 涡轮螺桨发动机特性 2、高度特性 功 耗油率 给定飞行速度，并设调节规律为：n=nmax=常数 *=T * 和T4随着飞行高度的增加，大气温度下降，由于大气温度随着飞行高度 4 max=常数
①用Ppr表示螺桨轴功率，单位kW；用F表示燃气 喷射产生的反作用推力，其单位是daN；用sfcpr表示按 轴功率计算的耗油率，其单位是kg•kW-1•h-1。
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标 ②用当量功率Pe以及按当量功率计算的耗油率sfce表示 当量功率：假设涡轮螺桨发动机的全部推进功率 都是由螺桨产生，相当于产生全部推进功率的螺桨功 率称为当量功率，用Pe表示
8.4 涡轮螺桨发动机的可用功分配 一、涡轮螺桨发动机的的设计参数选择
选择涡轮前 燃气温度 T4* 选择压气机 增压比 采取相应的 压气机防喘 措施
二、涡轮螺桨发动机的可用功分配 涡桨发动机可用功w在螺桨和尾喷管出口燃气动能 之间的最佳分配应该使得发动机获得最大的推进功。
在发动机可用功最佳分配条件下，尾喷管出口燃气喷射 速度必定大于飞行速度。飞行速度越大或效率ηtηmηpr越 低，尾喷管出口燃气喷射速度的最佳值c9,opt就越大。
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺桨发动机将燃气发生器产生的大部分可用 同参数条件下热力循环与涡喷相同，热效率相同； 功通过涡轮、减速器和螺桨传给通过螺桨的大量空气 将热机获取机械能中的绝大部分转换为涡轮功（95%）， ，使螺桨产生拉力。其余一小部分可用功以燃气动能 少部分转换为动能增量，排气速度低，减小余速损失； 的形式从尾喷管喷出，产生反作用推力。 涡轮输出功率带动螺旋桨高速旋转，使通过桨叶的气流 加速，气流对叶片产生反作用力而使桨叶产生巨大的拉 力； 具有相同燃气发生器的涡轮螺桨发动机由于提高了推进 效率，在低速飞行时比涡喷发动机和涡扇发动机具有更 大的推力。
8.1 涡桨发动机概述
具有动力涡轮的涡桨发动机，动力涡轮转速一般在 6000～12000转／分。定轴式涡桨发动机，燃气发生器 的涡轮转速一般在8000～18000转／分，但是螺旋桨的 转速必须很低，一般只有1000转／分左右。因此，在涡 轮螺旋桨发动机中，均要有减速器 。
8.1 涡桨发动机概述
随着飞行高度的增加，大气温度不变， 若不考虑雷诺数变化的影响， 如果不考虑雷诺数变化的影响，螺桨 耗油率不随着飞行高度的增 H≥11km 功 wPr 不变，PPr 和空气流量以同样的 加而变化。 速度下降。
8.6 涡轮螺桨发动机特性 3、高空涡轮螺桨发动机 为减轻发动机的重量，大部分涡桨发动机都按 某一高度的空中飞行功率进行结构强度设计。在该 高度以下，用降低燃气发生器n或T4*的方法，使螺桨 轴上的功率不超过最大允许值。这种按高空功率进 行结构强度设计的涡轮螺桨发动机称为高空涡轮螺 桨发动机。
8.1 涡桨发动机概述
螺桨风扇发动机（桨扇发动机）： 既具有涡桨发动机的低油耗，又具有涡扇发动机适于高速飞行 的特点。
8~10片后掠叶片组成桨扇 克服一般螺旋桨在飞行马赫数达到0.65后效率就急剧下降的缺点；推进效 率较高，优越性保持到飞行马赫数0.8左右 更适用于巡航马赫数为0.7~0.8的短途运输机
具有离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机具有双级离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机涡轮螺桨发动机的性能指标性能指标表示方法功率用ppr表示螺桨轴功率其单位是千瓦kw用当量功率pe表示8383涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的性能指标耗油率用sfcpr表示按轴功率计算的耗油率其单位是kg?kw1?h1按当量功率计算的耗油率sfce8383涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的功率和耗油率有两种表示方法用ppr表示螺桨轴功率单位kw
安－70中型运输机
8.1 涡桨发动机概述
安－70中型运输机的桨扇发动机D-27
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
涡轮螺桨发动机分类
类型
单轴式 涡轮 螺桨发动机
图形
发展说明
为简化结构，螺桨通过减速器与燃气发生器 连在同一轴上。
分轴式 涡轮 螺桨发动机
为提高非设计状态下的效率，连接螺桨的动 力涡轮不与燃气发生器相连接。
8.5 涡轮螺桨发动机的调节规律 变矩螺桨 螺旋桨简称螺桨，是涡轮螺桨发动机的主要推进 器。它将发动机的可用功转变为通过螺桨的空气的动 能增量，使螺桨产生反作用拉力。 为适应不同飞行速度和在给定 螺桨转速下不同轴功率的需要 ，就要改变螺桨桨叶的桨矩( 螺桨叶片叶型与发动机轴向线 的夹角)，这种可变桨矩的螺 桨称为变矩螺桨。变矩螺桨可 以改变螺桨的气动负荷。
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
功率为2000kw或2000kw以下的涡桨发动机，其空气 流量都低于10kg/s，小流量燃气发生器采用离心式压气机较 合理，特别是压气机的出口高压部分采用离心式压气机，可 以避免轴流式压气机叶片短小、效率低和结构复杂等缺点。
具有离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机 具有双级离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机
螺桨－风扇 燃气发生器
8.1 涡桨发动机概述
1985年10月中德联合研制MPC-75飞机（70座级支线客机）
8.1 涡桨发动机概述
MPC75的发动机GE36，无涵道风扇发动机 （Unducted Fan，UDF）
8.1 涡桨发动机概述
安-70运输机由乌克兰的安东诺夫科学技术综合体( 前安东诺夫设计局)研制，与俄罗斯联邦共同开发。 总重47吨，在3800千米～7400千米的高度上 能运载25～35吨货物。
8.6 涡轮螺桨发动机特性 3、高空涡轮螺桨发动机
高空涡轮螺桨发动机的高度特性
单位功率随飞行高度的变化
8.6 涡轮螺桨发动机特性
油门特性
具有单轴燃气发生器的分轴式涡轮螺桨发动机的油门特性
思考题 比较活塞、涡喷、涡扇和涡桨发动机的优缺点。 单轴和分轴式涡桨发动机各有什么优缺点？ 涡桨发动机的主要性能指标有哪些？ 什么是变矩螺桨，如何适应需要变矩？ 简述涡桨发动机的速度特性。 简述涡桨发动机的高度特性。 什么是高空涡轮螺桨发动机？
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
单轴式涡轮螺桨发动机 优点：结构简单。 缺点：在非设计状态下工作时效率较低，当发动机从设 计状态降低功率时，随着燃气发生器供油量减少 。
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
分轴式涡轮螺桨发动机 优点：采用变矩螺桨以后，可以根据飞行速度和动力涡 轮的功率自动调节桨矩，保持螺桨转速不变。燃气发生 器的工作不受螺桨转速的约束。 分轴式涡轮螺桨发动机的燃气发生器一般采用单轴式燃 气发生器。若为了提高燃气发生器的性能可以采用双轴 式燃气发生器
压气机的增压比增大，涡轮膨胀比也 增大，在 T4*一定时，涡轮功 wt 和螺 但是， 由于大气压力 H≤11km 桨功 wPr 都增大。 下降，通过发动机的空气流量减小， 螺桨功率 PPr 随着飞行高度的增加而 下降，但比空气流量下降得慢。
的增加而下降，总增压比增 大，燃烧室中的加热比 T4*/T0*也增大， 燃气发生器中 热的利用程度改善， 所耗油率 随着飞行高度的增加而下降。
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标
涡轮螺桨发动机的性能指标
性能指标
功率 用 Ppr 表示螺桨轴功率， 其单位是千瓦 kW 用 sfcpr 表示按轴功率计 算的耗油率，其单位是 kg•kW-1•h-1
表示方法
用当量功率 Pe 表示
耗油率
按当量功率计算的耗油率 sfce
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标 涡轮螺桨发动机的功率和耗油率有两种表示方法
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
多数的涡桨发动机，动力涡轮与燃气发生器的涡轮是 分开的，且以不同的转速工作。由于动力涡轮与核心机没 有机械地连成一体，因此也称它为自由涡轮 。
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
将动力涡轮与燃气发生器的涡轮机械地连接在一起， 成为定轴式或单轴式涡桨发动机。我国运8运输机所用的 涡桨6涡轮螺旋桨发动机、英国"子爵"号四发旅客机用的 "达特"涡轮螺旋桨发动机均为定轴式涡轮螺旋桨发动机。
思考题 根据风扇形式可以将涡扇发动机分为哪些类型？ 涡扇发动机的有哪些性能指标，定义是什么？ 涵道比的一般选择原则是什么？ 混排涡扇发动机有什么优点，适用范围是什么？ 涡扇发动机与涡喷发动机的速度特性有什么异同？ P228，第（3）题; P231，第（4）题
第8章 涡轮螺桨发动机
由螺旋桨、减速器、进气道、压气机、燃烧室、涡轮、 尾喷管组成 低速飞行时具有优越的经济性 适用范围：Ma < 0.6 装备于：支线客机、短途运输机。
普惠PT6型发动机是一款常见的涡桨发动机
图－95战略轰炸机是世界上装涡轮螺旋桨发动机的最大 飞机，装有四台单台功率为8950kW的涡轮螺旋桨发动 机，驱动四组共轴反转的双螺旋桨
8.1 涡桨发动机概述
活塞式+螺旋桨 （二战前）
音 障 功率小 限低空
涡 喷 （20世纪40~50年代）
经济性
涡 扇 （ 20世纪60年代）
涡
桨
（20世纪40年代末~50年代初）
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
涡桨６发动机：装备运８
8.1 涡桨发动机概述
8.6 涡轮螺桨发动机特性 1、速度特性 给定飞行高度，并设调节规律为：n=nmax=常数 和T4*=T4*max=常数
随着飞行速度c0的增 大，ηPr下降，螺桨 拉力将迅速下降
8.6 涡轮螺桨发动机特性 2、高度特性 功 耗油率 给定飞行速度，并设调节规律为：n=nmax=常数 *=T * 和T4随着飞行高度的增加，大气温度下降，由于大气温度随着飞行高度 4 max=常数
①用Ppr表示螺桨轴功率，单位kW；用F表示燃气 喷射产生的反作用推力，其单位是daN；用sfcpr表示按 轴功率计算的耗油率，其单位是kg•kW-1•h-1。
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标 ②用当量功率Pe以及按当量功率计算的耗油率sfce表示 当量功率：假设涡轮螺桨发动机的全部推进功率 都是由螺桨产生，相当于产生全部推进功率的螺桨功 率称为当量功率，用Pe表示
8.4 涡轮螺桨发动机的可用功分配 一、涡轮螺桨发动机的的设计参数选择
选择涡轮前 燃气温度 T4* 选择压气机 增压比 采取相应的 压气机防喘 措施
二、涡轮螺桨发动机的可用功分配 涡桨发动机可用功w在螺桨和尾喷管出口燃气动能 之间的最佳分配应该使得发动机获得最大的推进功。
在发动机可用功最佳分配条件下，尾喷管出口燃气喷射 速度必定大于飞行速度。飞行速度越大或效率ηtηmηpr越 低，尾喷管出口燃气喷射速度的最佳值c9,opt就越大。
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺桨发动机将燃气发生器产生的大部分可用 同参数条件下热力循环与涡喷相同，热效率相同； 功通过涡轮、减速器和螺桨传给通过螺桨的大量空气 将热机获取机械能中的绝大部分转换为涡轮功（95%）， ，使螺桨产生拉力。其余一小部分可用功以燃气动能 少部分转换为动能增量，排气速度低，减小余速损失； 的形式从尾喷管喷出，产生反作用推力。 涡轮输出功率带动螺旋桨高速旋转，使通过桨叶的气流 加速，气流对叶片产生反作用力而使桨叶产生巨大的拉 力； 具有相同燃气发生器的涡轮螺桨发动机由于提高了推进 效率，在低速飞行时比涡喷发动机和涡扇发动机具有更 大的推力。
8.1 涡桨发动机概述
具有动力涡轮的涡桨发动机，动力涡轮转速一般在 6000～12000转／分。定轴式涡桨发动机，燃气发生器 的涡轮转速一般在8000～18000转／分，但是螺旋桨的 转速必须很低，一般只有1000转／分左右。因此，在涡 轮螺旋桨发动机中，均要有减速器 。
8.1 涡桨发动机概述
随着飞行高度的增加，大气温度不变， 若不考虑雷诺数变化的影响， 如果不考虑雷诺数变化的影响，螺桨 耗油率不随着飞行高度的增 H≥11km 功 wPr 不变，PPr 和空气流量以同样的 加而变化。 速度下降。
8.6 涡轮螺桨发动机特性 3、高空涡轮螺桨发动机 为减轻发动机的重量，大部分涡桨发动机都按 某一高度的空中飞行功率进行结构强度设计。在该 高度以下，用降低燃气发生器n或T4*的方法，使螺桨 轴上的功率不超过最大允许值。这种按高空功率进 行结构强度设计的涡轮螺桨发动机称为高空涡轮螺 桨发动机。
8.1 涡桨发动机概述
螺桨风扇发动机（桨扇发动机）： 既具有涡桨发动机的低油耗，又具有涡扇发动机适于高速飞行 的特点。
8~10片后掠叶片组成桨扇 克服一般螺旋桨在飞行马赫数达到0.65后效率就急剧下降的缺点；推进效 率较高，优越性保持到飞行马赫数0.8左右 更适用于巡航马赫数为0.7~0.8的短途运输机
具有离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机具有双级离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机涡轮螺桨发动机的性能指标性能指标表示方法功率用ppr表示螺桨轴功率其单位是千瓦kw用当量功率pe表示8383涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的性能指标耗油率用sfcpr表示按轴功率计算的耗油率其单位是kg?kw1?h1按当量功率计算的耗油率sfce8383涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的性能指标涡轮螺桨发动机的功率和耗油率有两种表示方法用ppr表示螺桨轴功率单位kw
安－70中型运输机
8.1 涡桨发动机概述
安－70中型运输机的桨扇发动机D-27
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
涡轮螺桨发动机分类
类型
单轴式 涡轮 螺桨发动机
图形
发展说明
为简化结构，螺桨通过减速器与燃气发生器 连在同一轴上。
分轴式 涡轮 螺桨发动机
为提高非设计状态下的效率，连接螺桨的动 力涡轮不与燃气发生器相连接。
8.5 涡轮螺桨发动机的调节规律 变矩螺桨 螺旋桨简称螺桨，是涡轮螺桨发动机的主要推进 器。它将发动机的可用功转变为通过螺桨的空气的动 能增量，使螺桨产生反作用拉力。 为适应不同飞行速度和在给定 螺桨转速下不同轴功率的需要 ，就要改变螺桨桨叶的桨矩( 螺桨叶片叶型与发动机轴向线 的夹角)，这种可变桨矩的螺 桨称为变矩螺桨。变矩螺桨可 以改变螺桨的气动负荷。
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
功率为2000kw或2000kw以下的涡桨发动机，其空气 流量都低于10kg/s，小流量燃气发生器采用离心式压气机较 合理，特别是压气机的出口高压部分采用离心式压气机，可 以避免轴流式压气机叶片短小、效率低和结构复杂等缺点。
具有离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机 具有双级离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机
螺桨－风扇 燃气发生器
8.1 涡桨发动机概述
1985年10月中德联合研制MPC-75飞机（70座级支线客机）
8.1 涡桨发动机概述
MPC75的发动机GE36，无涵道风扇发动机 （Unducted Fan，UDF）
8.1 涡桨发动机概述
安-70运输机由乌克兰的安东诺夫科学技术综合体( 前安东诺夫设计局)研制，与俄罗斯联邦共同开发。 总重47吨，在3800千米～7400千米的高度上 能运载25～35吨货物。
8.6 涡轮螺桨发动机特性 3、高空涡轮螺桨发动机
高空涡轮螺桨发动机的高度特性
单位功率随飞行高度的变化
8.6 涡轮螺桨发动机特性
油门特性
具有单轴燃气发生器的分轴式涡轮螺桨发动机的油门特性
思考题 比较活塞、涡喷、涡扇和涡桨发动机的优缺点。 单轴和分轴式涡桨发动机各有什么优缺点？ 涡桨发动机的主要性能指标有哪些？ 什么是变矩螺桨，如何适应需要变矩？ 简述涡桨发动机的速度特性。 简述涡桨发动机的高度特性。 什么是高空涡轮螺桨发动机？
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
单轴式涡轮螺桨发动机 优点：结构简单。 缺点：在非设计状态下工作时效率较低，当发动机从设 计状态降低功率时，随着燃气发生器供油量减少 。
8.2 涡轮螺桨发动机的分类
分轴式涡轮螺桨发动机 优点：采用变矩螺桨以后，可以根据飞行速度和动力涡 轮的功率自动调节桨矩，保持螺桨转速不变。燃气发生 器的工作不受螺桨转速的约束。 分轴式涡轮螺桨发动机的燃气发生器一般采用单轴式燃 气发生器。若为了提高燃气发生器的性能可以采用双轴 式燃气发生器
压气机的增压比增大，涡轮膨胀比也 增大，在 T4*一定时，涡轮功 wt 和螺 但是， 由于大气压力 H≤11km 桨功 wPr 都增大。 下降，通过发动机的空气流量减小， 螺桨功率 PPr 随着飞行高度的增加而 下降，但比空气流量下降得慢。
的增加而下降，总增压比增 大，燃烧室中的加热比 T4*/T0*也增大， 燃气发生器中 热的利用程度改善， 所耗油率 随着飞行高度的增加而下降。
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标
涡轮螺桨发动机的性能指标
性能指标
功率 用 Ppr 表示螺桨轴功率， 其单位是千瓦 kW 用 sfcpr 表示按轴功率计 算的耗油率，其单位是 kg•kW-1•h-1
表示方法
用当量功率 Pe 表示
耗油率
按当量功率计算的耗油率 sfce
8.3 涡轮螺桨发动机的性能指标 涡轮螺桨发动机的功率和耗油率有两种表示方法
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
多数的涡桨发动机，动力涡轮与燃气发生器的涡轮是 分开的，且以不同的转速工作。由于动力涡轮与核心机没 有机械地连成一体，因此也称它为自由涡轮 。
8.1 涡桨发动机概述
涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）
将动力涡轮与燃气发生器的涡轮机械地连接在一起， 成为定轴式或单轴式涡桨发动机。我国运8运输机所用的 涡桨6涡轮螺旋桨发动机、英国"子爵"号四发旅客机用的 "达特"涡轮螺旋桨发动机均为定轴式涡轮螺旋桨发动机。
思考题 根据风扇形式可以将涡扇发动机分为哪些类型？ 涡扇发动机的有哪些性能指标，定义是什么？ 涵道比的一般选择原则是什么？ 混排涡扇发动机有什么优点，适用范围是什么？ 涡扇发动机与涡喷发动机的速度特性有什么异同？ P228，第（3）题; P231，第（4）题
第8章 涡轮螺桨发动机
由螺旋桨、减速器、进气道、压气机、燃烧室、涡轮、 尾喷管组成 低速飞行时具有优越的经济性 适用范围：Ma < 0.6 装备于：支线客机、短途运输机。
普惠PT6型发动机是一款常见的涡桨发动机
图－95战略轰炸机是世界上装涡轮螺旋桨发动机的最大 飞机，装有四台单台功率为8950kW的涡轮螺旋桨发动 机，驱动四组共轴反转的双螺旋桨