航空燃气涡轮发动机

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sfc 3600G f F 3600G f Ga Fs
Hu f Ga qs G
Hu为燃油的热值(kJ/kg)
qs
Fs c0
0
3600c0 sfc Hu 0
sfc与总效率、飞行速度有关
(三)使用性能指标
发动机的可靠性 起动迅速可靠 从静止加速到慢车状态的过程 加速性 从慢车加速到最大转速所需的时间 发动机的寿命 第一次翻修或两次大修的工作时数 维护的繁简程度

燃气涡轮喷气发动机的理想化条件
假设工质完成的是一个封闭的热力循环 略去压缩与膨胀过程中工质与各部件之间的热量交换, 忽
略实际过程中的摩擦, 假设在燃烧室中进行的燃油燃烧释 放出热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程, 并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低, 从而用定 压加热过程代替之 喷入的燃油的质量忽略不计, 而且假定工质是定质量的定 比热容的完全气体 喷入大气中的燃气与大气进行定压的放热过程。
对燃气发生器所获得的机械能进行不同的分配,就形
成不同型式的发动机; 涡桨发动机的螺旋桨,涡扇发动机的风扇,涡轴发动 机的悬翼的躯动力都来自燃气发生器。
燃气涡轮发动机其他分类(P54) 民航方面的情况(p54) 应用最广泛的是涡轮风扇发动机。
第二节 涡轮喷气发动机的工作过程
组成 :进气道,压气机,燃烧室,涡轮,喷管。 进气道:将足够的空气量, 以最小的流动损失顺利
结构简单,重量轻, 推力大, 推进效率高
在很大的飞行速度范围内, 发动机的推力随飞行速度的
增加而增加
(2)涡轮风扇发动机(Spey,JT8D,CFM56)
涵道比:
外涵道空气流量/内涵道空气流量
高涵道比涡扇发动机
三叉戟飞机(装备三台Spey)
CFM56涡扇发动机
低涵道比涡扇发动机
涡轮风扇发动机
4、单位迎面推力FA 定义:发动机推力/发动机最大迎风面积 最大迎风面积相同时,FA越大,推力F越大 推力F相同时,FA越大,发动机迎风面积越小
(二)经济性能指标
1、燃油消耗量Gf(单位kg/s,kg/h) 定义:单位时间内所消耗的燃油量 推力相同时,Gf越小越好 2、单位燃油消耗率sfc(单位kg/h N,kg/h daN ) 定义:产生一牛顿推力每小时所消耗的燃油量
而 p1 = p4 ,p2 = p3 代入上式,得:
T1 T4 T2 T3 T3 T4 T2 T1
T1 1 1 1 1 k 1 k 1 T2 p ( 2) k k p1
代入得: T 1
为工质被压缩后的压力p2与压缩前的压力p1的比值, 并称为增压比。
布莱顿循环
螺旋桨产生拉力 气体流过发动机时产生反作用推力
在较低的飞行速度下,具有较高的推进效率, 所以
它在低亚音速飞行时的经济性较好 适用于低空低速的运输机和民航机
涡轮螺旋浆发动机特点: 推力主要靠螺旋浆产生的拉力,燃气中剩 下的很少能量在尾喷管中膨胀,产生一小部 分推力(约10%)
(4)涡轮轴发动机(米-8)
二、推进功率和推进效率
假设:飞机等速平飞 推进功率: Np F 0 C
发动机在热力循环中 产生的功率 2 2 c5 c0 N Ga L Ga 2
L--每公斤气流的循环功
推进效率
FC0 p 2 2 C5 C0 Ga 2
2 p 1 c5 / c0
C5/C0 越大,推进效率越小
由进气道,风扇,低压压气机,高压压气机,燃烧室,
高压涡轮,低压涡轮和喷管组成 涡扇发动机推力:
内、外涵道气流反作用力的总和。
优点: 燃料使用效率高,噪声小,能获得较大加力比。
(3)涡轮螺旋浆发动机(运7,安-24,ATR)
涡轮螺旋桨发动机
由燃气涡轮发动机和螺旋桨组成,在它们之间还
安排了一个减速器 涡轮螺旋桨发动机的工作原理
三、总效率
定义:加入燃烧室的燃油完全燃烧时放出的 热量,有多少转变为推进功。
F 0 c 0 Ga s q
qs--每公斤空气所提供的热量
总效率(0.20~0.30) = 热效率(0.25~0.4)×推进效率(0.50~0.75) 提高总效率的措施: 提高热效率,如提高压气机增压比,涡轮前 燃气温度; 提高推进效率,减小C5和C0之间的差值。
气流在进气道、压气机压缩过程中的流动损失
气流在燃烧室中有流动损失和加热过程中的热
阻损失,压力下降。 气流膨胀过程中有流动损失。 定压放热过程只有热损失,没有流动损失,所 以,实际的放热过程与理想循环的放热过程相 同。
摩擦降低了总压,热阻损失降低了总温
第三节 涡轮喷气发动机推力和 效率(*)
使循环功达到最大值时的增压比称为最佳增压比
用机械能的形式表示
c c L LT Lk 2 2
c c L 2 2
2 5 2 0
2 5
2 0
Lk 、LT分别表示压气机的压缩功和涡轮的膨胀功。 对于涡轮喷气发动机,两者相等,所以有:
发动机涡轮前温度越高,循环功越大,排气速度 越大
发动机在实际工作过程中的损失
0 01 01 5
内推力
F Gg C5 Ga C0 ( P P ) A5 5 0
当燃气在喷管中 完全膨胀时 忽略流量差别时
F Gg C5 Ga C0
F Ga (C5 C0 )
涡喷发动机的推力分布
推力的分布
由图可以看出 进气道,压气机,燃烧室产生的力是向前 的; 涡轮,喷管产生的力是向后的。 向前的力减去向后的力就等于推力。 其中以压气机产生的力所占的比例最大。
涡轮轴发动机
燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡
轮而不在喷管内膨胀产生推力 动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的 旋翼
涡轮轴发动机与涡桨发动机的不同之处 : 燃气几乎全部在动力涡轮中膨胀,由尾喷 管排出时,气流速度较低。


燃气发生器 压气机, 燃烧室, 涡轮 产生高温高压燃气 又称为发动机的核心机 核心机 它完成了发动机将热能转变为机械能的工作;
布莱顿循环的理想循环效率为:
w0 q2 T4 T1 T 1 1 q1 q1 T3 T2
改写为:
1) T4 T1 T1 T 1 1 T T3 T2 T2 ( 3 1) T2 T T1 ( 4
因为1-2和3-4为绝热过程,所以:
T1 p1 kk 1 ( ) T2 p2 T4 p4 kk 1 ( ) T3 p3
地引入压气机。 压气机:通过高速旋转的叶片对空气作功, 压缩空 气, 提高空气的压力。 燃烧室:高压空气和燃油混合, 燃烧, 将化学能转变 为热能, 形成高温高压的燃气。 涡轮:高温高压的燃气在涡轮内膨胀, 向外输出功, 去带动压气机。 喷管:使燃气继续膨胀, 加速, 提高燃气的速度。
一、涡轮喷气发动机的理想循环
当C0=0,没有推进功
当C5=C0,效率为1,但F为零
发动机损失的能量:
2 2 c5 c0 N N p Ga Ga (c5 c0 )c0 2
每公斤气流损失的能量:
c c (c5 c0 ) (c5 c0 )c0 2 2
2 5 2 0 2
排气速度与飞行速度相差越大,动能损失越多
1kg工质所作的循环功(加热量与放热量之 差):
L C p [T (1
* 3
1

k 1 k
) T0 (
k 1 k
1)]
T
* 3
越大,表示涡轮前的温度越高, 循环功越大,热效应越高。
循环的热效率
1
1
k 1 k
(发动机增压比 P
* 2
/ P0)越高,热效率越高
发动机发出的功率与飞行速度和排气速度的平均值 有关。
2、单位推力FLeabharlann Baidu 定义:发动机推力/发动机空气流量(单位 N s/kg,dN s/kg)
Fs F / Ga
表示每公斤空气每秒所产生的推力 流量相同,单位推力越大,发动机 推力越大
3、推重比Fw 定义:发动机地面最大工作状态下的推力/发动 机的净重 涡喷发动机推重比为3.5~4 涡轮风扇发动机推重比达8以上
四、沿流程参数变化
第四节 涡轮喷气发动机的性能指 标和基本要求
一、涡轮喷气发动机的性能指标
(一)推力性能指标 1、推力F(最主要指标,单位N,英磅) 推力和发动机功率之间的关系: 2 2 c5 c0 N Ga 2
F Ga (c5 c0 ) N F (c5 c0 ) / 2
冲压式发动机:在起飞时推力为零,低速时性能不好
脉冲式发动机:空气和燃料间歇地供入燃烧室, 靠燃烧压缩工质
2、燃气涡轮发动机
燃气涡轮发动机的四种基本类型: 涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺旋浆发动机 涡轮轴发动机
(1)涡轮喷气发动机(涡喷6,涡喷7)
歼六战斗机(装备两台涡喷6)
涡轮喷气发动机结构 特点:涡轮只带动压气机压缩空气,发动机的 全部推力来自喷出气流的反作用力。
燃气涡轮喷气发动机
燃气发生器后的燃气可用能全部用来在喷管内继
续膨胀, 加速燃气, 提高燃气的速度, 使燃气以较 高的速度喷出, 产生推力。 航空燃气涡轮喷气发动机既是热机又是推进器 与航空活塞发动机相比

热效率:在循环中加热量有多少转变为机械功。
影响喷气发动机实际循环热效率的因素有三个, 它们是: 加热比Δ 、增压比π 、压气机效率和涡轮效率。 加热比Δ , (涡轮前温度或涡轮前燃气总温): 随着加热比Δ , 或 涡轮前温度,的提高, 热效率也增大。 增压比π : 增压比π 的提高, 实际循环的热效率增大,当增压比 π 等于最经济增压比时, 实际循环热效率达到最大,以后再提高 增压比, 实际循环的热效率η t反而下降。 压气机效率和涡轮效率: 压气机效率和涡轮效率增大,热效率也 提高。
第三章 航空燃气涡轮发动机概述
航空燃气涡轮发动机简介 涡轮喷气发动机的工作过程 涡轮喷气发动机推力和效率 涡轮喷气发动机的性能指标和基本要求 涡轮喷气发动机的演变和各种燃气涡轮发动机 适用范围
第一节 航空燃气涡轮发动机简介
喷气发动机的分类
发动机:将燃油燃烧释放出的热能转变为机械 能的装置 喷气发动机:把燃料的化学能转化为发动机高 速喷出燃气的动能,从而获得反作用力,推 进飞行器飞行的发动机。
布莱顿循环
布莱顿循环由绝热压缩过程 1-2、等压加热过程2-3、绝 热膨胀过程3-4和等压放热过 程4-1组成。由于这个循环在 等压加热,故也称为等压加 热循环。涡轮喷气发动机和 冲压喷气发动机的理想循环 就是布莱顿循环。
在等压加热过程2-3中,加给工质的热量为: q1= Cp(T3 - T2) 在等压放热过程4-1中,工质放出的热量为: q2= Cp(T4 - T1) 由于理想循环 w0 = q1- q2 所以,布莱顿循环的理想循环作功为: w0 = Cp(T3- T2)- Cp(T4- T1) 式中:T1、T2、T3、T4分别为工质状态 1、2、3、4时的温度。
(一)火箭发动机
特点:
自己携带燃料和氧化剂,靠燃烧压缩工质。
分类: 固体燃料、液体燃料、混合燃料
(二)空气喷气发动机
空气喷气发动机:利用空气中的氧气与燃料进 行混合燃烧,作为工质的动力装置。 分类:无压气机的发动机 燃气涡轮发动机(有压气机的发动机)
1、无压气机的发动机
分类:冲压式发动机、脉冲式发动机。

二、基本要求
推重比高,单位迎风面积小
同等推力时,发动机尺寸小,重量轻。 同等推力时,发动机迎风面积小,阻力小。
单位燃油消耗率低
可靠性好
工作稳定性、结构完整性、寿命 事故率:每十万(百万)工作小时的故障次数 提前拆换率:不到寿命而提前返修的台数/总台数
一、推力的产生
气流流过发动机时,发动机的内壁及各部件对气体 施加作用力,使其动量发生变化,而气体必然同时 给予发动机及各部件以反作用力。这些反作用力在 轴向分力的合力,即推力。 推力:提供给飞机,克服飞机前进阻力或使飞机加 速而作功的力。 有效推力=发动机内推力 - 短舱的阻力

有效推力
Fef Gg C5 Ga C0 ( P P ) A5 5 0 ( P P )dA ( P P )dA D f 0 0
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