(完整版)第二部分航空燃气轮机的工作原理

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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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① 实际循环的热效率 t 不只与增压比 有关，而且与循环增压比 有关。
② 实际循环的效率随增压比增加，不再是单调增大，而起有一个极限值，使热效率
达极大值的增压比为最经济增压比，记为 eco
③ 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 ， opt
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
1. 理想循环
2
B
3
C
T
1
4
p23
3
1
1
0 p-V
T
图2.15 燃气轮机循环布置图
1-2 绝热压缩 2-3 等压加热 3-4 绝热膨胀 4-1 等压放热
2
1
1
0
T-S
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4
V
3
3
4
S
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 1. 理想循环
c
pT3[1
1
(k 1) /
k
]
c pT1[1
1
(k 1) / k
]
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2.1.2 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
④ 等压放热过程 4~1
p23
3
整个过程是向大气放热； 机械功为0：
w41 0
1
1
0 p-V
总放热量为：
q41
h4
h1
➢ 第五部分 其他发动机机简介 第10章
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第二部分 航空燃气轮机的工作原理
§ 2.1 航空燃气轮机工作原理
2.1.1 发动机组成及简图 2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环 2.1.3 双轴式结构的燃气发生器 2.1.4 核心机
§ 2.2 涡喷发动机推力的计算 § 2.3 航空燃气轮机的性能指标及效率
（3）理想燃气轮机循环分析
③ 绝热膨胀过程 3~4
p23
3
整个过程吸热为0；
1
两个阶段：
1
✓ 3~3’ 在涡轮中完成，涡轮从
0
工质中获得的机械功为：
p-V
4
V
w3 h3 h3
✓ 3’~4 在尾喷管或动力涡轮中 完成，单位工质所做的功为。
w4
1 2
v42
1 2
v32h3
h3
h4
总机械功：
wt,i w3 w4 h3 h4 cp (T3 T4 )
cp (T4
T1)
c
pT1
(
(
k 1)
/
k
1)
4
V
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2.1.2 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
q1 q23 cp (T3 T2 ) cpT1( (k1)/k )
q2
q41
cp (T4
T1
)
c
pT1
(
(k
1) /
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2.1.2 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 2
热过程改成多变过程，n代替k。
3
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 2-3 等压加热
1)
t ,i
1
1
(k 1) / k
q1 cpT1( (k1)/k )
① 理想燃气轮机的热效率 t,i 只与增压比 有关，t,i 随 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 加热量和比功不仅与增压比 有关，还和加热比 有关
T1[cp (1
1
(n1) / n
)
cp
(
(n1) / n
1)]
实际循环的热效率：
t
w q1
cp (1
1
(n1) / n
)
cp
(
(n1) / n
cp ( (n1)/ n )
1)
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
分析： 增压比 ，加热比 和 吸热量 q1 ，比功 w ，热效率 t 之间的关系
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§2.1 航空燃气轮机工作原理
2.1.1 发动机组成及简图 ➢ 发动机组成
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
20% 110%
18%
228%
128%
100%
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§ 2.2 涡喷发动机推力的计算
2.2.1 概述
计算各部件的轴向力合力法来计算发动机的推力 困难
发动机各部件形状复杂，无法确切知道部件表面各处的 气体压力和粘力！
A0
A1
A9
进气
排气
A0
A1
A9
解决：将发动机看成一个整体，通过计算发动机进口出
增压比=最佳增压比时，比功最大； 增压比=最经济增压比时，热效率最高； 因此，为了降低燃气轮机的耗油率同时又能输出较大的功率， 设计增压比一般大于最佳增压比低于最经济增压比。
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2.1.3 双轴式结构的燃气发生器
双轴式结构特点
使压气机在更广阔的转速范围内稳定工作，是 压气机防喘的有效措施 之一； 在低转速下具有较高的压气机效率，因此可以使燃气发生器在较低的 涡轮前温度下工作。由于涡轮前燃气温度较低而且压气机不易产生喘振， 在加速时可以喷人更多的燃油，使双轴燃气轮机具有良好加速性能； 由于双轴燃气发生器在非设计工况下具有较高的压气机效率，因此在 非设计工况下的耗油率比单轴的低； 双轴的起动时，起动机只需要带动一个转子，与同样参数的单轴比， 可以采用较小功率的发动机。
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课时安排：56学时 民用航空系 刘磊 办公室：A1S-311
课程结构
➢ 绪论
航空发动机发动机发展回顾与展望 第11章
➢ 第一部分 热力学和气体动力学基础 第1章
➢ 第二部分 航空燃气轮机的工作原理 第2章
➢ 第三部分 发动机部件工作特性 第3,4章
➢ 第四部分 典型发动机工作特性 第5,6,7,8,9章
h1 h1
1 2
v12
1 2
v12
1
1
p-V
✓ 1’~1 压气机对工质做功。 wc2,i w1,2 h2 h1
总机械功： wc,i wc1,i wc2,i h2 h1 cp (T2 T1)
cpT1[ (k1)/ k 1]
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V
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
总膨胀过程中，单位工质对外界做功：
wt c
cp (T3
T4 )
T3cp
(1
(
1
n1)
/
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
)
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
p2
3
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
实际循环的比功
1
w wt wc cp (T3 T4 ) cp (T2 T1)
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§ 2.2 涡喷发动机推力的计算
k
1)
比功
wi q1 q2 cp (T3 T2 ) cp (T4 T1)
cpT1[(1
1
(k 1) / k
)
(
(k 1) / k
1)
wi wt,i wc,i cp (T3 T4 ) cp (T2 T1)
或
c pT1[(1
1
(k 1) / k
)
(
(k 1) / k
1)
热效率
能量方程式
q
1 2
v02
h0
w
1 2
v2
h
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2.1.2 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
① 绝热压缩过程 1~2
p23
3
整个过程吸热为0； q12 0
两个阶段：
✓ 1~1’ 迎面高速气流在进气道
0
中的绝能流动，使工质减速增；
压；
wc1,i
t ,i
wi q1
1 q2 q1
1
(
1
k 1)
/
k
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2.1.2 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
wi
c
pT1[(1
1
(k 1)
/
k
) ( (k1)/ k
opt ,i
w wi
④ 在实际循环中，随着循环加热比 越大，损失所占热量的比例相对减小，因
此，加热比 越大t， 越大o，pt ec，o 越高。
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
设计应用： 1、由于加热比 越大，循环的比功和热效率越高，所以设计燃气 轮机时，应在材料耐热许可的情况下，尽量提高加热比。 2、在加热比选定的情况下，
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
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2.1.1 发动机组成及简图
口气流动量的变化来确定发动机推力！
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§ 2.2 涡喷发动机推力的计算
2.2.2 发动机推力公式的推导
0
1
P0
9
P1
A0 C0
A1
P9
A9
C9
P0
0
1
9
计算假设：
1.流量系数
A0 A1
1；
2. 发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力 p；0
3. 气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。
绝热压缩效率
c
(k 1) / k
c
(n1) / n
c
1 1
c
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
p2
3
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
表明膨胀过程流动损失：
1
4
n1 n2 n3
n1
e
n2
n3
绝热膨胀效率
（1）衡量燃气发生器性能的指标
① 热效率 t,i ：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。
② 比功 w ：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。 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
3-4 多变膨胀n’<k 4-1 等压放热
1
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
p2
3
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
表明压缩过程流动损失：
1
4
n1 n2 n3
c
n1
n2
n3
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§2.1 航空燃气轮机工作原理
2.1.2 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。
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。
（3）理想燃气轮机循环分析
② 等压加热过程 1~2
p23
3
在燃烧室内完成； 工质所做的机械功为0：
w23 0
工质吸热量：
1
1
0 p-V
q23 h3 h2 cp (T3 T2 ) cpT1( (k1)/k )
T3 T2
为 循环的加热比
4
V
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
e
1
1
( n1) / n e
1
1
( k1) / k e
e
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2.1.2 燃气发生器的理想循环和实际循环
2. 实际循环
p2
3
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
总压缩过程中，外界对单位工质做功：
1
4
wc cp (T2 T1) T1cp ( (n1)/n 1)]
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2.1.4 核心机
1. 单轴燃气轮机——压气机和涡轮 2. 双轴燃气轮机——高压压气机和高压涡轮
核心机 燃气发生器
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§ 2.2 涡喷发动机推力的计算
2.2.1 概述 发动机的推力：发动机内外气体在各个表面上作用力的合力。
200% 8%