发动机原理第二章6节

– 大型民用发动机：最高可达0.999
– 军用发动机：约0.95~0.99
– 影响因素：
• 余气系数
• 进气压力↑→燃烧效率↑
• 进气温度↑→燃烧效率↑
• 进气速度↑→燃烧效率↓
T
2
p1.75e 300
2
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q ma
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四、性能参数及特性
• 总压恢复系数：
– 约0.9~0.96
燃烧室出口总压
飞行Ma 1.6，飞行高度H 11km 发动机参数： 压气机增压比c 13 压气机效率c 0.82 燃烧室出口总温T4* 1500K 燃烧效率b 0.99 燃烧室总压恢复系数 b 0.94 涡轮效率t 0.89 尾喷管总压恢复系数 c 0.95
转子机械效率m 0.99 空气比热比：k 1.4 空气定压热容：cp 1.005kJ/kg.K 燃气比热比：kg 1.3 燃气定压热容：cpg 1.244kJ/kg.K 气体常数：R 0.28706kJ/kg.K 气体常数：Rg 0.28706kJ/kg.K 燃油低热值：Hu 42900kJ/kg 冷气流量占进口空气流量的比例： 8% 进口空气流量：80kg / s
Ma 1时， i 0.97
Ma 1时， i 0.97 1 0.075(Ma 1)1.35 0.97 1 0.075(1.6 1)1.35 0.9335
进气道出口总温(在绝热管道中，总温不变) : T2* T1* 327.57K
进气道出口总压：
p2* i p1* 0.9335*96130 89733 Pa
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一、功能、环境特点及基本要求
• （3）如何保证涡轮的安全工作温度？
– 周向尽可能分布均匀 – 径向燃气温度最高值一般要求在涡轮叶片上1/3
处，并非越均匀越好
• 叶尖较薄，容易烧坏 • 叶根应力大，温度不能过高
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二、燃烧室结构形式
• 基本类型
– 单管燃烧室 – 联管燃烧室 – 环形燃烧室
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二、燃烧室结构形式
• 联管式燃烧室
– 有多个单独火焰筒， 共用内、外环形机匣 – 联焰管传播火焰
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二、燃烧室结构形式
• 联管式燃烧室 • 优点：
– 减轻重量和减小迎风面 – 单独火焰筒便于调试 – 拆换方便
• 缺点：
– 出口温度场周向 不均匀
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二、燃烧室结构形式
• 单管式燃烧室
– 由多个单独燃烧室组成， 之间用联焰管相联，传焰 和均压作用 – 每个燃烧室有独立的 火焰筒和外套
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二、燃烧室结构形式
• 单管式燃烧室 • 优点:
– 实验调试用气少 – 便于拆换
• 缺点:
– 迎风面大 – 出口温度场不均匀 – 重量大（不能抵抗扭矩）
– 收缩通道：涡轮导向器叶栅通道、涡轮转子叶 栅通道、收缩型尾喷口，收敛-扩张尾喷管的收 缩段
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小结
• 超音速流：
– 扩张通道：收敛-扩张尾喷管的扩张段、涡轮导 向器出口；
– 收缩通道：超音速进气道的超音段；
• 核心要点：
– 压气机通用特性
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大作业
发动机设计点性能计算 （编程作业）
大作业
气流滞止参数（1截面）
滞止温度：T1*
T0 (1
k
1 2
Ma2
)
216.65(1 1.4 11.62 ) 327.57 K 2
滞止压力：p1*
p0 (1
k
1
Ma2
)
k k 1
2
22615.12(1
1.4
11.62
1.4
)1.41
96125
Pa
2
大作业
进气道出口参数（2截面）
进气道总压恢复系数(由经验公式近似计算)：
大作业
01
2
3
4
4a
5
进气道 压气机 燃烧室 涡导 涡转
89 尾喷口
冷气
0： 1： 2： 3： 4： 4a： 5： 8： 9：
远前方来流 进气道进口 进气道出口 压气机出口 燃烧室出口，涡轮导向器进口 涡轮导向叶片出口，涡轮转子进口 涡轮出口 尾喷管喉部 尾喷管出口
大作业
工作参数、部件效率或损失系数
kg
1 2.2609
(e)
尾喷口出口截面静温：
T9
（1
T9*
k
g 2
1
M
a9
2）
615.25K
尾喷管出口声速： c9 kgRgT9 479.16m / s
排气速度： V9 c9 Ma9 1083.35
大作业
发动机性能计算
喷管内的流量
qm.9 qm.5 qm.3 (1 )(1 f ) 81.9989kg / s
大作业
涡轮转子出口参数（5截面）
由高压转子功平衡：
cpg qm.4a T4*a T5* m cp qm.3 T3* T2*
T5*
T4*a
1
(1
cp )(1
T3* f)
T2*
m
c
T*
pg 4a
1087K
(c)
涡轮膨胀比：
t
p4*a p5*
1
1
T5* T4*a
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二、燃烧室结构形式
• 环形燃烧室
– 由4个同心的圆筒组成， 火焰筒为环形
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二、燃烧室结构形式
• 优点：
– 与压气机、涡轮的环形通道
气动配合好，减少流动损失
– 出口温度场均匀
– 重量轻、迎风面小
• 缺点：
– 喷油与进气不易配合
– 调试需大型气源
– 装拆维护较困难
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三、工作过程及主要零组件
1、气流扩压减速
F100突扩式扩压器
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三、工作过程及主要零组件
2、喷油雾化
– 为使燃油在非常短的时间内与气流充分掺混， 达到完全燃烧，靠燃油喷嘴喷入雾状燃油，扩 大燃料与周围气体的接触面，加快蒸发、汽化， 形成混气，以利于完全燃烧。
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3
总温： T4* 1500K (已知)
qm.3a
qmf 燃烧室
4 qm4
大作业
涡轮导向器出口参数（4a截面）qmf
流量平衡：
qm.3a qm.3 (1 ) qm.4 qm.3 (1 )(1 f )
qm5 qm.4a qm.3 (1 )(1 f )
qm.3 qm.3a
qm.4
• （1）如何保证稳定燃烧？
– 有一句成语：“风助火势，火借风威” – 是否“风”越大，火势越旺呢？ – 生活经验表明，并非如此。
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一、功能、环境特点及基本要求
• （1）如何保证稳定燃烧？
– 基本条件：气流速度=火焰传播速度 – 进口气流速度高（120-180m/s）； – 火焰传播速度（不大于50m/s）
b 燃烧室进口总压
– 影响因素
• 主要因素：进气速度↑→总压恢复系数↓ • 次要因素：燃烧室温升↑→总压恢复系数↓
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四、性能参数及特性
• 油气比
f
燃油质量流量 空气质量流量
qmf qma
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四、性能参数及特性
• 余气系数
实际空气量 使燃油完全燃烧所需空气量
大作业
燃烧室出口参数（4截面）
根据能量平衡：
c pg (qm.3a qm. f )T4* c p qm.3a T3* b qm. f Hu
油气比：
f
qm. f qm.3a
c pg
b
T4* cp T3* Hu cpg T4*
0.027159
(a)
总压：
p4* b p3* 1096537 Pa
• 熄火特性
– 燃烧室进口速度过大 时火焰稳定范围减小，
容易熄火或空中起动 时不易点燃
– 当燃烧室进口气流速
度超过一定限度，无
论余气系数是多少，
都无法稳定燃烧
余气系数
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q ma q mf l0
1
fl0
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小结
• 亚音速流：
– 扩张通道：亚音速进气道、超音速进气道的扩 压段、压气机转子、静子叶栅通道、燃烧室扩 压器；
大作业
❖大气参数的计算（0截面）
当H 11km时： T0 (288.15 6.5H ) 216.65 K p0 101325(1 H / 44.308)5.2553 22615.6 Pa
当H 11km时：
T0 216.7 K
11 H
p0 0.227e 6.338
Pa
气流速度： V0 Ma c 1.6 1.4 287.06 216.7 472(m / s)
• 环境特点
– 进口气流速度高（120-180m/s）； – 工作温度高（核心温度2500K）； – 出口气流温度受涡轮叶片的耐热限制，不能过
高；
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一、功能、环境特点及基本要求
• 基本要求：
– 稳定燃烧； – 可靠工作； – 为涡轮提供合理的温度条件；
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一、功能、环境特点及基本要求
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三、工作过程及主要零组件
3.点火 • 一般利用外电源，使高压火花塞打火。 • 一般有两个点火器。
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三、工作过程及主要零组件
4、形成燃烧回流区 • 气流经火焰筒头部的扰流器，形成一股旋
转气流，在火焰筒的中心造成低压区，下 游一部分气流逆流补充，形成回流。 • 形成稳定的点火源 • 使燃油破膜、雾化、掺混
大作业
压气机出口参数（3截面）
压气机出口总压：p3* c p2* 1389733 1166529Pa
压气机出口总温：T3*
T2* 1
c
k 1 k
c
1
327.571
1.41 13 1.4 1
0.82
759.4K
压气机所消耗功：Lc cp (T3* T2*) 1.005(759.4 327.57) 434kJ / kg
qm.4a qm.5
压气机 燃烧室 涡导 涡转
冷气
能量平衡：
cp qm.3 T3* cpg qm.4 T4* cpg qm.4a T4*a
qm.3
涡导出口总温：T4*a
T4*
(1
)(1 f ) cp
cpg
(1 )(1 f )
T3* T4*
1430.8K
(b)
涡导出口总压：p4*a p4* 1096537Pa
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三、工作过程及主要零组件
5、燃烧： • 分区燃烧室：主燃区、补燃区（中间区）、
掺混冷却区
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三、工作过程及主要零组件
5、燃烧： • 分不同部位、不同量进气
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三、工作过程及主要零组件
6、掺混冷却
• 约40%气流由火焰筒上的微细小孔或缝隙进入， 在火焰筒壁形成气膜，保护火焰筒。
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三、工作过程及主要零组件
燃烧室工作过程简介 • 1、气流扩压减速 • 2、喷油雾化 • 3、点火 • 4、形成燃烧回流区 • 5、燃烧 • 6、掺混冷却
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三、工作过程及主要零组件
1、气流扩压减速 • 压气机出口气流速度 120~180m/s
30~45m/s
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第二章 发动机部件工作原理
第二章 发动机部件工作原理
• 第一节 气动热力基础 • 第二节 进气道 • 第三节 尾喷管 • 第四节 压气机 • 第五节 涡轮 • 第六节 燃烧室
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第六节 燃烧室
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一、功能、环境特点及基本要求
• 功能
– 燃料与空气掺混燃烧，将燃料化学能转换为热 能加给气体。
kg
kg 1
t 3.91044
(d )
p5*
p4*a
t
280412Pa
大作业
尾喷口出口参数（9截面）
尾喷口出口总压： p9* c p5* 266391Pa
尾喷口出口总温： T9* T5* 1087K 假设尾喷管完全膨胀, p9 p0 ? Pa
kg 1
Ma9
k
2 g
1
p9* p9
• 约20%气流从后部进入，掺混降温、到达出口温 度场分布要求。
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三、工作过程及主要零组件
• 火焰筒壁的冷却
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三、工作过程及主要零组件
• 火焰筒壁的冷却
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四、性能参数及特性
•
燃烧效率：
b
实际放热量 完全燃烧放热量
qmgh3*g qmah2*a qmf Hu
qma qmf l0
1 fl0
– l0 — 1公斤航空煤油完全燃烧所需理论空气量，
l0 =14.7kg/s
– 最恰当油气比： f0 = 1/ l0 = 0.068
– = 1: 最恰当油气比
– 1: 富油状态 （燃油过剩）
– 1: 贫油状态 （空气过剩）
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四、性能参数及特性
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一、功能、环境特点及基本要求
• （2）如何保证自身可靠工作？
– 将火焰燃烧区域置于火焰筒内部； – 燃烧室的所有金属部分不跟核心燃烧区直接接
触； – 分区燃烧、掺混冷却；
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一、功能、环境特点及基本要求
• （3）如何保证涡轮的安全工作温度？
– 周向如何分布？ – 径向如何分布？