航空燃气涡轮发动机原理 目录 发动机的不稳定工作 发动机的组成和作用 推力产生的原理和影响因素 概述 涡轮风扇发动机的概念 一 概述 定义发展历史发动机的分类连续性定理伯努利定律涡轮喷气发动机工作原理 一 概述 定义 将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能的装置 1903年12月17日 美国莱特兄弟驾驶 飞行者1号 实现了人类历史上首次有动力 载人 稳定和可操纵的重于空气飞行器的飞行 而发动机是航天器飞行的动力 是飞行器的 心脏 燃气涡轮发动机的发展 1913年法国工程师勒内 罗兰提出的一种喷气推进发动机取得专利 但这是一种冲压式空气喷气发动机 那时既不可能制造又无处使用 燃气涡轮发动机的发展 1930年 英国工程师弗兰克 惠特尔获得了第一个用燃气涡轮产生喷气推进的专利 但一直到11年后他的发动机才完成了第一次飞行 燃气涡轮发动机的发展 1934年德国人汉斯 万 奥海因率先试制成功世界上第一台喷气发动机 燃气涡轮发动机的发展 1937年4月12日弗兰克 惠特尔试制成功英国第一台喷气发动机 但试运转并不理想 几经挫折 于1941年装上了格洛斯特战斗机 燃气涡轮发动机的发展 第二次世界大战中 德国戴姆勒 奔驰于1943年试制出了第一台涡轮风扇发动机 4月在试验台上静推力已达到840千克 预计可达到1000千克 但因存在大量缺陷并缺乏相应的专家而没能获得发展 二十世纪五十年代末期 涡轮风扇发动机在民航机上使用 燃气涡轮发动机的发展 发动机的分类 连续性定理 定义 当流体流过一粗细不等的管子时 单位时间内 流过任意截面的流体质量相等 流过截面1的质量流过截面2的质量即 或如果空气密度是个常数 则或 截面积大 流速慢 截面积小 流速快 气流的流动特性 伯努利定律 定义 稳定气流 在同一流管的任意截面上 空气的动压和静压之和保持不变 即 截面积大 流速小 压力大 同一流管截面积小 流速大 压力小 涡轮喷气发动机工作原理 发动机工作时 空气从进气道进入 经过压缩器压缩 压力提高 随即进入燃烧室与燃料混合并燃烧 燃烧后的空气流入涡轮 涡轮便在高温高压空气的推动下旋转起来 从而带动压缩器工作 最后空气在喷管中膨胀加速 高速向外产生推力 二 推力产生的原理和影响因素 推力产生的原理 推力的定义推力公式影响推力的因素发动机基本工作状态性能指标 推力产生的原理 空气以速度V流入发动机 燃气以速度V5流出发动机 由牛顿第二定律知 气体被加速 一定有力作用于气体 而且加速度越大 作用力越大 这些作用力是发动机壳体及内部部件作用于气体的力 根据牛顿第三定律知道 有作用力就有反作用力 此反作用力就是气体作用于发动机壁面上的力 推力的定义 气体对发动机作用力的轴向上的合力 就是发动机的推力 推力公式 F qm V5 V v5喷气速度v进气速度qm通过发动机的空气质量流量思考速度对推力的影响 影响推力的因素 从推力公式F qm V5 V 可知 仅考虑通过发动机空气速度的变化时 随着飞机的速度增加 推力减小 但是在低速时 随着速度增大进气道冲压原理使空气流量增大 发动机推力增大 流量与空气的密度有关 空气密度是由空气压力和温度决定的 飞行高度的变化影响着空气压力和温度 思考 那么到底高度升高对发动机推力有何影响 影响推力的因素 当压力高度增加时 可用起飞推力会减小 在高高原机场起飞对发动机推力的影响 高高度对发动机启动的影响 高原机场运行 容易出现启动困难的问题 主要表现在转速上升慢 甚至悬挂 启动温度高和启动过程自动中断等问题 理想循环把发动机实际工作加以理想化后的各个热力过程所组成的可逆闭合循环 就是理想循环 绝热压缩过程等压加热过程绝热膨胀过程等压放热过程理想循环功越大 则动能增量越大 推力也越大 影响循环的因素 大气温度 思考 温度对发动机推力的影响涡轮前燃气温度 转换热能增加 推力增加 发动机增压比 推力会如何 温度 可用推力 温度对发动机推力的影响 假设温度 灵活温度 当飞机的实际起飞重量低于最大起飞重量时 起飞并不需要全推力 可以采用减推力起飞 这样可以延长发动机的寿命 降低维护成本 为了管理推力的减量 我们引入了 假设温度 这一概念 假设温度是一个假定的温度参数 与外界气温的意义不同 发动机根据假设温度的高低来控制起飞推力的大小 假设温度的原理 推力减少量不得超过最大推力的25 TselMax Tsel TREF OAT 减推力ReducedThrust 可用推力Avail Thrust 最大起飞重量Max TOW 实际起飞重量ActualTOW 所需推力NeededThrust 推力Thrust 起飞重量TOW 实际起飞重量ActualTOW 所需推力NeededThrust 条件 ZSSS36 襟翼5度 空调自动 防冰关断 顶风10节 外界温度46度 ACTOW实际起飞重量 55T三个速度是125 126 129 实际起飞重量ActualTOW 所需推力NeededThrust 取同时满足爬升和越障条件时的假设温度 52度 引气开关与发动机推力的关系 引气开关与发动机推力的关系 引气开关与发动机推力的关系由图可知发动机引气打开 减少了最大起飞重量 推力减小 引气从发动机压气机被引出 打开引气发动机增压比下降 所以推力下降 思考 随着增压比进一步上升 发动机的推力会如何变化 影响推力大小的因素 涡轮前燃气温度越高 速度增量越大 推力越大 发动机增压比越高 理想循环先增大后减小 推力先增大后减小 飞行速度越快 由于冲压效应空气流量增大 前后速度差减小 低速时推力增大 高速时推力减小 这个要考 影响推力大小的因素 发动机转速越快 空气流量越大 推力越大大气温度越高 空气密度越小 理想循环越小 推力越小 飞行高度越高 空气密度越小 大气温度越越低 推力越小 发动机基本工作状态 发动机从最大状态到最小的允许连续工作的转速之间 规定有几种常用的基本工作状态 最大状态 转速和涡轮前燃气都达最大值 推力最大 最大状态一般只用于起飞 额定状态 规定推力为最大推力的85 90 额定推力一般用于爬升 发动机基本工作状态 巡航状态 推力为最大推力的65 75 转速和涡轮前燃气温度以及单位燃油消耗率较低 慢车状态 发动机能够稳定工作的小转速工作状态 性能指标 使用性能 工作可靠性起动迅速性加速性发动机寿命维护难易程度 三 飞机动力装置各部分的组成和作用 进气道压气机燃烧室涡轮喷管 进气道 引导足够的空气顺利进入压气机 压气机 高速旋转叶轮对空气做功 压缩空气 提高空气压力 燃烧室 高压空气与燃油混合燃烧 化学能转变为热能 形成高温高压燃气 涡轮 高温高压燃气膨胀 向涡轮作功 涡轮与压气机在一根轴上带动压气机转动 喷管 燃气继续膨胀 加速 提高燃气速度 进气道 功用 在不同外界条件下 把足够的外部空气顺利地引入压气机 进气道 分类亚音速进气道超音速进气道 略 进气道 亚音速进气道进气口前缘较为钝圆 以避免低速起飞时进口处气流分离 内部通道多为扩散形 在最大速度或巡航状态下 进入气流的减速增压过程大部分在进口外面完成 通道内的流体损失不大 因而有较高的效率 亚音速进气道构造简单 重量轻 进气道 超音速进气道超音速进气道通过多个较弱的斜激波实现超音速气流的减速 超音速进气道分为外压式 内压式和混合式三类 进气道的性能参数 空气流量 单位时间流入进气道的空气质量 流动损失 空气流过进气道时 存在唇口损失和内部流动损失 出口流场的畸变指数 进气道出口流场不均会导致压气机喘振和燃烧室熄火 冲压比 进气道出口处的总压与远前方气流静压的比值 进气道驱鸟 当飞机发动机整流锥在高速运转的时候 整流锥上面的螺纹便像极了老鹰的瞳孔 而整流锥顶端的白点则类似老鹰的眼珠 如此一来 飞机便能在较远的距离惊吓其他鸟类 可以一定程度上避免鸟击 不至于吸入过多鸟类进入发动机 造成发动机空停 此外 整流锥的螺旋线还有能提示发动机是否处于运转状态的功能 压气机 功用 对流过它的空气进行压缩 提高空气压力 为燃气膨胀做功创造条件 从而提高热效率 改善发动机的经济性 增大发动机的推力 压气机 增压方法 利用高速旋转的叶片对空气做功 将压缩功转变为气体的压力位能和内能 分类 离心式压气机 略 轴流式压气机 轴流式压气机 组成 轴流式压气机由转子 由工作叶轮构成 静子 由整流器构成 和进气导向器组成 转子的功用是对空气做功 压缩空气 提高空气压力 静子使空气扩压 继续提高空气的压力 叶栅和基元级 导流环 动叶平面叶栅 平面叶栅 静叶平面叶栅 基元级增压原理 轴流式压气机主要是利用扩散增压的原理来提高空气压力的 平面叶栅的气动参数 进气角 叶片进口处的气流相对速度方向和额线之间的夹角 出气角 叶片出口处的气流相对速度方向和额线之间的夹角 攻角 工作叶轮进口处相对速度的方向与叶片弦线之间的夹角 气流折转角 气流流过叶片时 速度方向的改变量 即 圆周速度 u越大 压气机加功量越大 与空气流量有关 压气机叶片的扭转 压缩机叶片不是直的 而是扭转的 由于沿叶高各基元级的工作条件不同 工作叶轮进口处在叶尖 平均直径和叶根的圆周速度不同 叶尖 圆周速度大 叶根 圆周速度小 叶尖处叶型出气角小 叶根处叶型出气角大 压气机环形通道面积逐渐减小 空气流入压气机后 随着压力逐渐提高 空气密度也逐渐增大 由连续性定理可知 要保持接近恒定的气流轴向速度 就必须使通道横截面积逐渐减小 燃烧室 功用 使高压空气与燃油混合后燃烧 将燃油的化学能转变为热能 形成高温高压的燃气 为在涡轮和喷管中膨胀创造条件 基本性能要求 点火可靠 燃烧稳定 燃烧完全 总压损失小 尺寸小 出口温度分布最合理 排气污染小等 分类 管形燃烧室 每一个管式火焰筒外围都包有一个单独的外壳 构成一个分管 分管间利用传焰管相连 现已基本不用 管形燃烧室 优点 试验 修正容易 检查 维护更换方便 与离心式压气机配合比较协调 缺点 环形面积利用率低 气流速度大 总压损失大 启动性能差 冷却空气量大 出口温度场分布不均匀 重量大 环形燃烧室 在燃烧室的内外壳体之间安装了一个由共同的火焰筒内外壁组成环形燃烧区和掺混区 民航所使用的涡轮风扇发动机大多采用环形燃烧室 环形燃烧室 环形燃烧室中的火焰筒为一整体的环形腔 同心地装在环形的壳体内 这种燃烧室空间利用率高 迎风面积 重量 压力损失 火焰筒表面积和长度都小 所需的冷却空气量少 出口流场沿周向分布均匀 广泛用于各种新型发动机中 环管形燃烧室有若干个管形火焰筒沿圆周均匀地装在一个共同的环形壳体内 各火焰筒间装有联焰管 它的结构介于管形燃烧室与环形燃烧室之间 50 60年代的发动机多采用这种结构 环管形燃烧室 优点 保持了分管燃烧室的一些优点 试验 修正容易 检查 拆装比较方便 环形面积利用率提高 能够与轴流式压气机平滑衔接 缺点 重量仍然较大 结构比较复杂 思考 燃烧室中空气流动速度非常快 如何在如此条件下使火焰稳定燃烧 燃烧室 工作要求 燃油稳定燃烧 燃烧室出口燃气的温度受到涡轮叶片材料的限制 稳定燃烧的条件 建立一个稳定气流速度等于火焰的传播速度 方法 提高火焰传播速度和降低气流速度 火焰传播速度高低取决于 1 余气系数 余气系数在0 9 1 0的时 燃烧后放出的热量最大 燃气温度最高 火焰前锋内的燃气与新鲜混合气之间传递最强 使新鲜混合气能迅速达到着火温度而燃烧起来 所以火焰传播的速度最大 余气系数小于或大于这一最佳成分时 都会使火焰传播速度降低 过大或过小甚至会出现发动机熄火状况 火焰传播速度高低取决于 2 混合气的初温初压 混合气初温升高 从初温上升到着火温度所需要的时间相应的缩短 而且燃烧后气体的温度也升高 因此火焰传播速度会随着初温的升高而升高 初压在层流混合气中对火焰传播的速度没什么影响 在紊流混合气中 初压下降 火焰传播速度就会减小 火焰传播速度高低取决于 3 燃料的雾化质量 燃料的雾化质量越好 火焰传播速度越快 反之则越慢 火焰传播速度高低取决于 4 气流的扰动情况 气流扰动越剧烈 火焰传播速度越快 反之则越