燃气涡轮发动机特性第一章
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推力可分解为使飞机前进、俯仰和偏航三个方向的推力分量
2010-10-7
30
推力公式
以涡喷发动机为例 取发动机单独安装于短舱的安装形式 远前方为“0‖截面 短舱进口为“01”截面 尾喷管出口为 “9‖截面
气流流经发动机内、外所产生的反作用力 Fout：气流作用于短舱外表面的轴向合力 Fin： 发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力
燃气涡轮发动机的发明 最早可追溯到我国古代 发明（ 1131-1161 年）“ 走马灯”，靠蜡烛火焰 产生的热气吹动顶部的 叶轮来带动剪纸人马旋 转 西方则把其发展归结于 一种早期的烤鸡装置 航空发动机技术在燃气 轮机领域中一直处于领 先发展地位
航空燃气涡轮发动机的发展史
航空发动机是飞机的一个重要组成部分 被比喻为是飞机的“”
控制体进、出口气流动量变化 ＝全部轴向力的合力 控制体包括：短舱包含的气流和进 气道前方一段扩张管流。 以气流运动方向为正。 Fin 与 F´in 为一对大小相等、方向相 反的力。
2010-10-7 35
Fin 推导
p9 A9 qm9V9 qmV0 p0 A0 pdA Fin
图1-3
2010-10-7 26
3.涡轮螺桨发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、减速器、 螺旋桨 工作过程：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮 膨胀作功带动压气机和螺旋桨尾喷管膨胀加速排气到 体外
图1-4
2010-10-7 27
4. 涡轮轴发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、功率输出轴、主 减速器等 进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动压气机 和旋翼尾喷管膨胀加速排气到体外
01
Fout pdA X f
01
9
FA Fin Fout
有效推力计算公式
FA qm 9V9 qmV0 ( p9 p0 ) A9 ( p p0 )dA ( p p0 )dA X f
0 01 01 9
前三项：发动机内推力，简称推力(F) 后三项：称为阻力
从推力定量计算方面：
推力公式推导时控制体前端界面取在远前方未受扰 动的0截面 将0截面到发动机进口01截面之间气流的动量变化也 计入了推力 必须将多算的部分以阻力的方式扣除
2010-10-7 40
附加阻力
X d ( p p0 )dA
0 01
•亚音速
•超音速
Xd大小等于发动机进口前“自由”流管表面压力分布 P与外界均匀大气压力P0之差对dA的积分 亚音速飞行时，发动机进口前“自由”流管压力发布 和形状变化影响Xd的大小 超音速飞行时，由于激波的出现，波后压力将发生剧 烈变化，附加阻力将发生大的变化
我国大型飞机重大专项
一个没有大型飞机及其完整的 产业体系的国家，就不可能成 为真正的经济强国和军事强国 大飞机工程能否成功的关键之 一是动力问题，必须要立足于 国内，自主研制。动力是装备 的心脏，最终我国的大飞机要 有“中国心” 我国航空事业及其在它应用领 域的发展也有非常迫切的动力 需求
2010-10-7
图1-2
25
2.涡轮风扇发动机
混合排气涡扇
组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、混合器、尾喷管
进气道进气风扇增压气流分为两股
内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇 和压气机混合器 外涵气流外涵道混合器
两股气流在混合器中掺混尾喷管膨胀加速排气到体外
燃气涡轮发动机特性
硕士学位课
北京航空航天大学
能源与动力工程学院航空推进系
2010-10-7 1
教学性质和目的
性质
硕士学位课
目的与地位
在航空燃气涡轮发动机的工作原理及 特性等方面打下扎实的理论基础 对航空然气涡轮发动机使用中的问题 获得一定的知识 为今后从事航空然气涡轮发动机方面 的工作和研究奠定理论基础
绪 论
燃气涡轮发动机是一种以空 气为介质，将热能转换为机 械能的动力装置 广泛应用于：航空、航天、 航海、能源、交通等领域 航空燃气涡轮发动机是高技 术密集型产品，所涉及学科
流体力学、固体力学、热力 学、传热学、燃烧学、转子 动力学、控制理论、气动声 学、材料学、加工工艺学等
航空燃气涡轮发动机的发展史
C919
2014年首飞
课程章节
第一章：航空燃气涡轮发动机的基本工作原理 第二章：燃气涡轮发动机部件工作原理及其特性
第三章：各部件共同工作和控制规律 第四章：航空燃气涡轮发动机稳态特性 第五章：涡喷和涡扇发动机过渡过程性能 第六章：航空燃气轮机的使用特性 第七章：航空发动机性能数学模型 第八章：推进系统性能 提高推进系统性能的新技术和新进展
教学大纲
课程主要教学内容
航空发动机各部件的共同工作 航空发动机的控制规律及其选择 航空发动机的特性 航空发动机过渡工作状态的特点分析 使用条件对航空发动机性能影响 航空发动机性能数学模型 航空推进系统性能 航空发动机总体性能技术发展趋势
教材
现代航空发动机技术与发展（第1－4章） （张津、洪杰著）
压差阻力（Xp）
发动机在安装条件下，外表面用力不同于外界大气压 力，因此造成压差阻力 压差阻力又分成进气道外阻力和喷管/后体阻力
分界点选在发动机短舱或机身的最大直径处 进气道外阻力主要是由于进气道唇口外气流分离或外罩存 在激波而产生 喷管/后体阻力主要是由于外表面外流压力变化而造成
01
2010-10-7
M
9
42
FA 与 F
F qm 9V9 qmV ( p9 p0 ) A9
01
Xd Xp
(p p
0 9
0
)dA )dA
01
(p p
0
FA F X d X P
“F‖又称为非安装推力 “FA‖又称为安装推力 对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动较小,可以 近似认为: FA F 对于超音速飞机在超音速飞行时： FA F 2010-10-7 阻力不容忽视!
2010-10-7
图1-1
24
2. 涡轮风扇发动机
分开排气涡扇 组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、外涵道、内外涵尾喷管 进气道进气风扇增压气流分为两股 内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇和压气 机内涵尾喷管膨胀加速排气到体外 外涵气流外涵道外涵尾喷管膨胀加速排气到体外
英文“ENGINE ‖(中译为引擎)
为克服飞行阻力提供推动力 飞机在发动机推力作用下达到一定速度 机翼才能产生足够 的升力
1896年德国人的第一架飞 机
人类实现飞行
人类在航空领域中所取得的每一次革命性进展 无不与航空动力技术的突破相关 可靠的内燃机出 现 — 1903年莱 特兄弟飞上蓝天
2010-10-7
图1-5
28
5. 桨扇发动机（开放转子）
组成：与涡桨发动机相类似 8~10片后掠叶片组成桨扇
具有叶型薄、最大厚度位置后 移等特点 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
民用飞机发动机的发展需求
航空发动机类型发展及演变
桨扇发动机
介乎于涡扇发动机和涡桨发动机 8~10片后掠叶片组成的桨扇由涡 轮驱动 具有叶型薄、最大厚度位置后移 等特点，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 其经济性优势更适用于巡航马赫 数为0.7~0.8的短途运输机
2010-10-7
图1-6
29
1.2 航空燃气轮机的主要性能指标
1. 有效推力(可用推力)
发动机提供的推进飞机向前运动的力，其大小等于流经发动 机内、外的气流对发动机各部件表面反作用力的轴向合力， 用“FA‖表示。单位：牛顿(N) 或 拾牛顿(daN) 提供推动力的作用： (1) 克服阻力 (2) 飞机达到一定速度机翼产生升力 矢量推力*
2010-10-7
01
0
36
Fin qm 9V9 qmV0 p0 A0 pdA p9 A9
0
01
p dA 0 p A p dA p dA p A
0 0 0 0 0 0 01 01 0
01
9
0 9 9
Fin qm9V9 qmV0 ( p9 p0 ) A9 ( p p0 )dA p0 dA
Rolls-Royce遄达900发动机
基本型的推力为311千牛，四台发动机以符合空客A380-800起飞 重量560吨的要求 发展型356千牛推力将用于A380最大起飞重量为615吨的型号
B787－空中梦幻飞机
GEnx发动机
单台推力 250-330kN
高效快捷、低污染、高舒适性
民用客机发动机的发展需求
GE90－115B 推力546千牛
B777－300起飞总重351吨
A380－空中巨无霸
机身长度72.9米 翼展宽度79.4米 整体高度24.2米 目前世界上唯一的全机舱 双层客舱、四通道的客机 航程约1.5万公里 最高时速可达1078.2公里 最大载客量为555人
A380－空中巨无霸
43
阻 力(安装损失)
附加阻力
因进口气流受发动机工作而有别于均匀外界大气 压力而造成的阻力。 与飞机飞行状态、姿态，发动机工作状态，进气 道调节等因素有关。
附加阻力、压差阻力、摩擦阻力（计入极 曲线）
2010-10-7 38
有效推力计算公式
推力 附加阻力
F qm9V9 qmV ( p9 p0 ) A9 X d ( p p0 )dA
0 01
压差阻力
X p ( p p0 )dA
01
9
2010-10-7
39
附加阻力
时间12秒，高36m
航空燃气涡轮发动机的发展史
涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高
人类得以实现超声速飞行 优点：高速下性能优越 缺点：低速下经济性差
2010-10-7
活塞式
喷气式
8
航空燃气涡轮发动机的发展史
涡轮风扇发动机的出现，再次改变了航空业的面貌 军用超音速战斗机涡扇发动机 特点：小涵道比设计、混排、带加力 优点：加力比大，亚声巡航经济性好 适用：超音速飞机 民用大型运输机涡扇发动机 特点：大涵道比设计、大多采用分开排气 优点：起飞推力大、巡航经济性好 适用：干线客机、大型运输机
未来民用飞机 对发动机性能要求
亚音运输机
进一步降低耗油率
超大涵道比
超音运输机
实现环球更快捷飞行 低涵道比涡扇发动机 变循环发动机
பைடு நூலகம்国大型飞机重大专项
国务院常务会议认为
研制大型飞机是党中央、国务院作出的重 大战略决策，也是全国人民多年的愿望 我国航空工业经过 50多年的发展，已经具 备发展大型飞机的技术和物质基础 自主研制大型飞机，发展有市场竞争力的 航空产业，对于转变经济增长方式、带动 科学技术发展、增强国家综合实力和国际 竞争力，加快现代化步伐，具有重大意义
FA F F in out
F out
Fout pdA X f
01
9
dA — 短舱外表面微元面积在垂直于轴 向方向上的投影； X f — 摩擦阻力 因与飞行方向相反，故均为负。
2010-10-7 33
发动机各部件受力分布
2010-10-7
34
Fin ：运用动量原理
2010-10-7 9
第四代战斗机的特点
超敏捷性 隐身性 短距起飞着陆 (STOL) 能力 不加力超声速巡航能力
F-22
高推重比（>10） 大的不开加力推力 采用矢量喷管
未来战斗机 对发动机的发展需求
F136
F135
大型宽体客机
超大推力级发动机研制成功 — 双发宽体客机允许不着陆跨洋飞行
第一章 航空燃气涡轮发动机的基本工作原理
1.1 主要类型、组成及工作过程 主要类型包括
•涡轮喷气发动机 •涡轮风扇发动机 •涡轮螺桨发动机 •涡轮轴发动机
2010-10-7 23
1.涡喷发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管
进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作
功带动压气机尾喷管膨胀加速排气到体外
2010-10-7
30
推力公式
以涡喷发动机为例 取发动机单独安装于短舱的安装形式 远前方为“0‖截面 短舱进口为“01”截面 尾喷管出口为 “9‖截面
气流流经发动机内、外所产生的反作用力 Fout：气流作用于短舱外表面的轴向合力 Fin： 发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力
燃气涡轮发动机的发明 最早可追溯到我国古代 发明（ 1131-1161 年）“ 走马灯”，靠蜡烛火焰 产生的热气吹动顶部的 叶轮来带动剪纸人马旋 转 西方则把其发展归结于 一种早期的烤鸡装置 航空发动机技术在燃气 轮机领域中一直处于领 先发展地位
航空燃气涡轮发动机的发展史
航空发动机是飞机的一个重要组成部分 被比喻为是飞机的“”
控制体进、出口气流动量变化 ＝全部轴向力的合力 控制体包括：短舱包含的气流和进 气道前方一段扩张管流。 以气流运动方向为正。 Fin 与 F´in 为一对大小相等、方向相 反的力。
2010-10-7 35
Fin 推导
p9 A9 qm9V9 qmV0 p0 A0 pdA Fin
图1-3
2010-10-7 26
3.涡轮螺桨发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、减速器、 螺旋桨 工作过程：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮 膨胀作功带动压气机和螺旋桨尾喷管膨胀加速排气到 体外
图1-4
2010-10-7 27
4. 涡轮轴发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、功率输出轴、主 减速器等 进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动压气机 和旋翼尾喷管膨胀加速排气到体外
01
Fout pdA X f
01
9
FA Fin Fout
有效推力计算公式
FA qm 9V9 qmV0 ( p9 p0 ) A9 ( p p0 )dA ( p p0 )dA X f
0 01 01 9
前三项：发动机内推力，简称推力(F) 后三项：称为阻力
从推力定量计算方面：
推力公式推导时控制体前端界面取在远前方未受扰 动的0截面 将0截面到发动机进口01截面之间气流的动量变化也 计入了推力 必须将多算的部分以阻力的方式扣除
2010-10-7 40
附加阻力
X d ( p p0 )dA
0 01
•亚音速
•超音速
Xd大小等于发动机进口前“自由”流管表面压力分布 P与外界均匀大气压力P0之差对dA的积分 亚音速飞行时，发动机进口前“自由”流管压力发布 和形状变化影响Xd的大小 超音速飞行时，由于激波的出现，波后压力将发生剧 烈变化，附加阻力将发生大的变化
我国大型飞机重大专项
一个没有大型飞机及其完整的 产业体系的国家，就不可能成 为真正的经济强国和军事强国 大飞机工程能否成功的关键之 一是动力问题，必须要立足于 国内，自主研制。动力是装备 的心脏，最终我国的大飞机要 有“中国心” 我国航空事业及其在它应用领 域的发展也有非常迫切的动力 需求
2010-10-7
图1-2
25
2.涡轮风扇发动机
混合排气涡扇
组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、混合器、尾喷管
进气道进气风扇增压气流分为两股
内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇 和压气机混合器 外涵气流外涵道混合器
两股气流在混合器中掺混尾喷管膨胀加速排气到体外
燃气涡轮发动机特性
硕士学位课
北京航空航天大学
能源与动力工程学院航空推进系
2010-10-7 1
教学性质和目的
性质
硕士学位课
目的与地位
在航空燃气涡轮发动机的工作原理及 特性等方面打下扎实的理论基础 对航空然气涡轮发动机使用中的问题 获得一定的知识 为今后从事航空然气涡轮发动机方面 的工作和研究奠定理论基础
绪 论
燃气涡轮发动机是一种以空 气为介质，将热能转换为机 械能的动力装置 广泛应用于：航空、航天、 航海、能源、交通等领域 航空燃气涡轮发动机是高技 术密集型产品，所涉及学科
流体力学、固体力学、热力 学、传热学、燃烧学、转子 动力学、控制理论、气动声 学、材料学、加工工艺学等
航空燃气涡轮发动机的发展史
C919
2014年首飞
课程章节
第一章：航空燃气涡轮发动机的基本工作原理 第二章：燃气涡轮发动机部件工作原理及其特性
第三章：各部件共同工作和控制规律 第四章：航空燃气涡轮发动机稳态特性 第五章：涡喷和涡扇发动机过渡过程性能 第六章：航空燃气轮机的使用特性 第七章：航空发动机性能数学模型 第八章：推进系统性能 提高推进系统性能的新技术和新进展
教学大纲
课程主要教学内容
航空发动机各部件的共同工作 航空发动机的控制规律及其选择 航空发动机的特性 航空发动机过渡工作状态的特点分析 使用条件对航空发动机性能影响 航空发动机性能数学模型 航空推进系统性能 航空发动机总体性能技术发展趋势
教材
现代航空发动机技术与发展（第1－4章） （张津、洪杰著）
压差阻力（Xp）
发动机在安装条件下，外表面用力不同于外界大气压 力，因此造成压差阻力 压差阻力又分成进气道外阻力和喷管/后体阻力
分界点选在发动机短舱或机身的最大直径处 进气道外阻力主要是由于进气道唇口外气流分离或外罩存 在激波而产生 喷管/后体阻力主要是由于外表面外流压力变化而造成
01
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M
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42
FA 与 F
F qm 9V9 qmV ( p9 p0 ) A9
01
Xd Xp
(p p
0 9
0
)dA )dA
01
(p p
0
FA F X d X P
“F‖又称为非安装推力 “FA‖又称为安装推力 对于亚音速飞机，由于发动机对气流扰动较小,可以 近似认为: FA F 对于超音速飞机在超音速飞行时： FA F 2010-10-7 阻力不容忽视!
2010-10-7
图1-1
24
2. 涡轮风扇发动机
分开排气涡扇 组成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、外涵道、内外涵尾喷管 进气道进气风扇增压气流分为两股 内涵气流压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作功带动风扇和压气 机内涵尾喷管膨胀加速排气到体外 外涵气流外涵道外涵尾喷管膨胀加速排气到体外
英文“ENGINE ‖(中译为引擎)
为克服飞行阻力提供推动力 飞机在发动机推力作用下达到一定速度 机翼才能产生足够 的升力
1896年德国人的第一架飞 机
人类实现飞行
人类在航空领域中所取得的每一次革命性进展 无不与航空动力技术的突破相关 可靠的内燃机出 现 — 1903年莱 特兄弟飞上蓝天
2010-10-7
图1-5
28
5. 桨扇发动机（开放转子）
组成：与涡桨发动机相类似 8~10片后掠叶片组成桨扇
具有叶型薄、最大厚度位置后 移等特点 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
民用飞机发动机的发展需求
航空发动机类型发展及演变
桨扇发动机
介乎于涡扇发动机和涡桨发动机 8~10片后掠叶片组成的桨扇由涡 轮驱动 具有叶型薄、最大厚度位置后移 等特点，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 其经济性优势更适用于巡航马赫 数为0.7~0.8的短途运输机
2010-10-7
图1-6
29
1.2 航空燃气轮机的主要性能指标
1. 有效推力(可用推力)
发动机提供的推进飞机向前运动的力，其大小等于流经发动 机内、外的气流对发动机各部件表面反作用力的轴向合力， 用“FA‖表示。单位：牛顿(N) 或 拾牛顿(daN) 提供推动力的作用： (1) 克服阻力 (2) 飞机达到一定速度机翼产生升力 矢量推力*
2010-10-7
01
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Fin qm 9V9 qmV0 p0 A0 pdA p9 A9
0
01
p dA 0 p A p dA p dA p A
0 0 0 0 0 0 01 01 0
01
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0 9 9
Fin qm9V9 qmV0 ( p9 p0 ) A9 ( p p0 )dA p0 dA
Rolls-Royce遄达900发动机
基本型的推力为311千牛，四台发动机以符合空客A380-800起飞 重量560吨的要求 发展型356千牛推力将用于A380最大起飞重量为615吨的型号
B787－空中梦幻飞机
GEnx发动机
单台推力 250-330kN
高效快捷、低污染、高舒适性
民用客机发动机的发展需求
GE90－115B 推力546千牛
B777－300起飞总重351吨
A380－空中巨无霸
机身长度72.9米 翼展宽度79.4米 整体高度24.2米 目前世界上唯一的全机舱 双层客舱、四通道的客机 航程约1.5万公里 最高时速可达1078.2公里 最大载客量为555人
A380－空中巨无霸
43
阻 力(安装损失)
附加阻力
因进口气流受发动机工作而有别于均匀外界大气 压力而造成的阻力。 与飞机飞行状态、姿态，发动机工作状态，进气 道调节等因素有关。
附加阻力、压差阻力、摩擦阻力（计入极 曲线）
2010-10-7 38
有效推力计算公式
推力 附加阻力
F qm9V9 qmV ( p9 p0 ) A9 X d ( p p0 )dA
0 01
压差阻力
X p ( p p0 )dA
01
9
2010-10-7
39
附加阻力
时间12秒，高36m
航空燃气涡轮发动机的发展史
涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高
人类得以实现超声速飞行 优点：高速下性能优越 缺点：低速下经济性差
2010-10-7
活塞式
喷气式
8
航空燃气涡轮发动机的发展史
涡轮风扇发动机的出现，再次改变了航空业的面貌 军用超音速战斗机涡扇发动机 特点：小涵道比设计、混排、带加力 优点：加力比大，亚声巡航经济性好 适用：超音速飞机 民用大型运输机涡扇发动机 特点：大涵道比设计、大多采用分开排气 优点：起飞推力大、巡航经济性好 适用：干线客机、大型运输机
未来民用飞机 对发动机性能要求
亚音运输机
进一步降低耗油率
超大涵道比
超音运输机
实现环球更快捷飞行 低涵道比涡扇发动机 变循环发动机
பைடு நூலகம்国大型飞机重大专项
国务院常务会议认为
研制大型飞机是党中央、国务院作出的重 大战略决策，也是全国人民多年的愿望 我国航空工业经过 50多年的发展，已经具 备发展大型飞机的技术和物质基础 自主研制大型飞机，发展有市场竞争力的 航空产业，对于转变经济增长方式、带动 科学技术发展、增强国家综合实力和国际 竞争力，加快现代化步伐，具有重大意义
FA F F in out
F out
Fout pdA X f
01
9
dA — 短舱外表面微元面积在垂直于轴 向方向上的投影； X f — 摩擦阻力 因与飞行方向相反，故均为负。
2010-10-7 33
发动机各部件受力分布
2010-10-7
34
Fin ：运用动量原理
2010-10-7 9
第四代战斗机的特点
超敏捷性 隐身性 短距起飞着陆 (STOL) 能力 不加力超声速巡航能力
F-22
高推重比（>10） 大的不开加力推力 采用矢量喷管
未来战斗机 对发动机的发展需求
F136
F135
大型宽体客机
超大推力级发动机研制成功 — 双发宽体客机允许不着陆跨洋飞行
第一章 航空燃气涡轮发动机的基本工作原理
1.1 主要类型、组成及工作过程 主要类型包括
•涡轮喷气发动机 •涡轮风扇发动机 •涡轮螺桨发动机 •涡轮轴发动机
2010-10-7 23
1.涡喷发动机
组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管
进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀作
功带动压气机尾喷管膨胀加速排气到体外