第五章单轴涡轮喷气发动机

第5章单轴涡轮喷气发动机

Single shaft turbo-jet engine

第5.1节稳态工作时各部件的相互制约关系

Engine components restrained each other on stable state 在军用歼击机和民用旅客机上，单轴涡轮喷气发动机仅仅在航空燃气轮机发展的早期(约在20世纪40年代末和50年代初)曾经使用过，后来很快被双轴涡轮喷气发动机和双轴涡轮风扇发动机所代替。然而，在学习航空燃气轮机工作原理的过程中，认真学习单轴涡轮喷气发动机，仍然是十分必要的，单轴涡轮喷气发动机的燃气发生器乃是其他各类航空燃气轮机的核心机。通过单轴涡轮喷气发动机的学习，可以由浅入深，牢固地建立各主要部件(燃烧室、加力燃烧室、进气道和尾喷管)之间的相互制约关系和相互匹配要求，为学习其他各类航空燃气轮机打下良好的基础。

一、概述

一台已经设计制成的单轴涡轮喷气发动机可以在不同的飞行状态下工作，驾驶员可以通过油门操纵杆使燃油自动调节器供给发动机不同的燃油流量，根据给定的条件改变某些部件的几何参数(如进气道的几何形状、压气机的可调节导流叶片或放气门位置、涡轮导向器最小截面积、尾喷管临界截面积等)。

当发动机在一定的飞行状态下工作时，如果保持燃油流量以及各部件的几何参数不变，那末，发动机将稳定的工作，即发动机的转速以及发动机各截面的气体参数将保持一定的数值。

如果改变飞行状态或者改变燃油流量或者改变发动机某一部件的几何参数都将使发动机进入另一个新的工作状态。由于发动机的各个部件是协同工作的，任何一个部件工作状态的变化都将影响其他部件的工作，它们互相影响、互相制约。

举例来说，某单轴涡轮喷气发动机在一定的飞行状态下，驾驶员拉回油门操纵杆，减小发动机的燃油流量，燃烧室出口燃气温度降低，涡轮功率减小，与此同时，根据涡轮导向器出口处流量方程

（5.1-1）由于燃烧室出口燃气温度降低，通过涡轮导向器的燃气流量可以增加，因而增大了通过压气机的空气流量，在压气机特性图上，当发动机转速还没有来得及改变的瞬间，共同工作点向远离喘振边界的方向移动(增大流量、降低压比)，压气机所需功率也随之变化。主要由于涡轮功率的减小，发动机转速下降，降到某一个较低的转速下，压气机所需功率与涡轮功率相等时为止（如下图所示）。

上面的例子形象地说明了发动机在稳定状态下工作时各部件之间的相互制约关系。归纳起来，发动机各个部件之间是通过下列因素互相影响、互相制约。

首先，通过发动机各个截面的气体流量应该相等。如果出现流量不等的情况，就必然通过气流压力或流量本身的改变来影响相邻部件的工作。例如突然减小尾

喷管出口截面积A

8，就会使涡轮出口静压p

5

增加，影响涡轮的工作。

其次，当发动机在稳定状态下工作时，涡轮产生的功率与压气机消耗的功率应该相等。如果出现功率不等的情况，就会使发动机转速发生变化。

第三个相互制约的条件是压气机转速与涡轮转速相等。众所周知，转速与涡轮转速在任何情况下必然是相等的，因为它们是连结在同一根轴上。当利用压气机的特性曲线和涡轮的特性曲线来确定它们的工作状态时，必须用这个条件。事实上，往往不使用涡轮的特性曲线，因为在一般情况下，涡轮导向器处于临界或超临界工作状态，使用涡轮流量相似参数为常数和涡轮效率为常数的条件就已相当准确，即

这时，涡轮功的大小决定于涡轮前燃气温度T

4*和涡轮膨胀比π

t

*，而与涡轮

转速无关，于是就没有必要应用转速相等的条件了。发动机转速的数值只有在分析压气机特性图上工作点的位置时才需要用到它。

下面主要从流量相等和功相等的条件出发，分析各部件之间的相互制约关系。

二、压气机与涡轮流量相等的条件(Mass flow equalization condition of compressor and turbine)

根据压气机和涡轮流量相等的条件，可得

式中q

mf

──燃油流量；

q

mcol

──冷却涡轮盘和涡轮叶片等热部件用的冷却空气流量。

可以近似的认为：，因此下面讨论时认为

根据涡轮导向器出口处流量方程

式中σ

──涡轮导向器的总压恢复系数；

t

──涡轮导向器出口面积；

A

t

λ

──涡轮导向器出口处速度系数。

t

又因

所以

整理后得到

（5.1-1）令

则

（5.1-2）

当涡轮导向器处于临界或超临界状态工作时，，

值为常数。

*与流量相似当涡轮前燃气温度相似参数为常数时，压气机增压比π

c

参数成直线关系，其斜率为，这表示增压比加大，使燃气密度加大，才能流过更多的流量。

取一系列的温度相似参数值，便可以在压气机特性图上得到一组通过原点的直线，如图5.1.1所示。

图5.1.1 在压气机特性图上作T4*/T2* 等值线

必须说明，这一组直线是对应于某一个涡轮导向器排气面积的，当涡轮导向减小时，这组经过原点的直线的斜率就增加。

器排气面积A

t

有了图5.1.1以后，给定压气机转速的相似参数和涡轮前燃气温度相似参数，就可以确定压气机在特性图上工作点的位置。可以这样来理解它的物理意义：当涡轮导向器排气面积A

给定时，涡轮前燃气温度相似参数

t

的变化影响压气机出口气流的流通能力，起了压气机出口节气门的作用。当压气机转速的相似参数保持不变，涡轮前燃气温度相似参数增加时，压气机在特性图上的工作点向喘振边界移动，相当于对压气机起了“关小节气门的作用”。根据上述分析，还可以知道，发动机在起动和加速过程中如果*增加过多，将会引起压气机喘振。

瞬间T

4

*很低时，涡轮导向器处于亚应该指出当发动机转速下降，压气机增压比π

c

临界工作状态，，式(5.1-2)中的C值不再保持为常数，压气机增压比*与流量相似参数不再是直线关系，因此，在压气机特性图的低转

π

c

速范围内，的线变为通过纵坐标轴上的曲线，如图5.1.1中实线所示。

发动机工作时，压气机究竟在特性图上哪一点工作，转速是多少，这还需要知道压气机所需的功是否与涡轮功相等。只有当涡轮功与压气机功相等时，才可能稳定在压气机特性图上某一点工作。

三、压气机功与涡轮功相等的条件(Work equalization condition of compressor and turbine)

根据发动机在稳定状态下工作时，压气机功与涡轮功相等的条件

式中