第二部分航空燃气轮机的工作原理

航空发动机原理课时安排：56学时民用航空系刘磊办公室：A1S-3112019/8/5航空发动机原理2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第五部分其他发动机机简介第10章课程结构2019/8/522019/8/5航空发动机原理3§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第二部分航空燃气轮机的工作原理2019/8/532019/8/5航空发动机原理4发动机组成§2.1航空燃气轮机工作原理2019/8/542.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理52.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理62.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理72.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理82.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理92.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理102.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理112.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理122.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理132.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理142.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理152.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理162.1.1发动机组成及简图2019/8/5航空发动机原理172.1.2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。§2.1航空燃气轮机工作原理2019/8/5航空发动机原理182.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环1.理想循环CTB2134图2.15燃气轮机循环布置图pV0021342134p-VTST-S1-2绝热压缩2-3等压加热3-4绝热膨胀4-1等压放热13132019/8/5航空发动机原理192.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环1.理想循环（1）衡量燃气发生器性能的指标①热效率：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：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it,whvwhvq20202121能量方程式2019/8/5航空发动机原理202.1.2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1~2pV02134p-V13整个过程吸热为0；两个阶段：1~1’迎面高速气流在进气道中的绝能流动，使工质减速增；压；1’~1压气机对工质做功。总机械功：012q212111,12121vvhhwic122,1,2hhwwic]1[)(/)1(11212,2,1,kkppicicicTcTTchhwww2019/8/5航空发动机原理212.1.2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pV02134p-V13②等压加热过程1~2在燃烧室内完成；工质所做的机械功为0：工质吸热量：023w)()(/)1(1232323kkppTcTTchhq23TT为循环的加热比2019/8/5航空发动机原理222.1.2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pV02134p-V13③绝热膨胀过程3~4整个过程吸热为0；两个阶段：3~3’在涡轮中完成，涡轮从工质中获得的机械功为：3’~4在尾喷管或动力涡轮中完成，单位工质所做的功为。总机械功：333hhw433232442121hhhvvw]11[]11[)(/)1(1/)1(3434343,kkpkkppitTcTcTTchhwww2019/8/5航空发动机原理232.1.2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pV02134p-V13④等压放热过程4~1整个过程是向大气放热；机械功为0：总放热量为：041w)1()(/)1(1141441kkppTcTTchhq2019/8/5航空发动机原理242.1.2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比功)1()11([)()(/)1(/)1(1142321kkkkpppiTcTTcTTcqqw热效率或)1()11([)()(/)1(/)1(11243,,kkkkpppicitiTcTTcTTcwwwkkiitqqqw/)1(121,111吸热量)()(/)1(123231kkppTcTTcqq)1()(/)1(114412kkppTcTTcqq放热量2019/8/5航空发动机原理252.1.2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，比功，热效率之间的关系1qiwit,①理想燃气轮机的热效率只与增压比有关，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，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it,it,opt)1()11([/)1(/)1(1kkkkpiTcwkkit/)1(,11)(/)1(11kkpTcq2019/8/5航空发动机原理262.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环2.实际循环p21341-2多变压缩nk2-3等压加热3-4多变膨胀n’k4-1等压放热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，因此将绝热过程改成多变过程，n代替k。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。2019/8/5航空发动机原理272.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环2.实际循环p21341-2多变压缩nk2-3等压加热3-4多变膨胀n’k4-1等压放热表明压缩过程流动损失：11/)1(/)1(nnckkcc绝热压缩效率cc1n2n3n321nnn2019/8/5航空发动机原理282.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环2.实际循环p21341-2多变压缩nk2-3等压加热3-4多变膨胀n’k4-1等压放热表明膨胀过程流动损失：ee1n2n3n321nnnkkennee/)1(/)1(1111绝热膨胀效率2019/8/5航空发动机原理292.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环2.实际循环p21341-2多变压缩nk2-3等压加热3-4多变膨胀n’k4-1等压放热总压缩过程中，外界对单位工质做功：)]1()(/)1(112nnppccTTTcw总膨胀过程中，单位工质对外界做功：)11()(/)1(343nnppctcTTTcw2019/8/5航空发动机原理302.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环2.实际循环p21341-2多变压缩nk2-3等压加热3-4多变膨胀n’k4-1等压放热实际循环的比功)]1()11([)()(/)1(/)1(11243nnpnnpppctccTTTcTTcwww实际循环的热效率：)()1()11(/)1(/)1(/)1(1nnpnnpnnptcccqw2019/8/5航空发动机原理312.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环分析：增压比，加热比和吸热量，比功，热效率之间的关系1qwt①实际循环的热效率不只与增压比有关，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，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，越大，，越高。t2.实际循环ecooptioptopt,iwwtopteco2019/8/5航空发动机原理322.1.2燃气发生器的理想循环和实际循环设计应用：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，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。2.实际循环2019/8/5航空发动机原理332.1.3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。2019/8/5航空发动机原理342.1.4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2019/8/5航空发动机原理35§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。8%200%20%110%18%228%128%100%2019/8/5航空发动机原理36§2.2涡喷发动机推力的计算2.2.1概述解决：将发动机看成一个整体，通过计算发动机进口出口气流动量的变化来确定发动机推力！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！进气排气A0A0A1A1A9A92019/8/5航空发动机原理37§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计算假设：1.流量系数；2.发动机表面均匀受压，且等于外界大气压力；3.气体流经发动机外表面时，没有摩擦阻力。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0110AA0p2019/8/5航空发动机原理38§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001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0outinFFF计算Fin•根据动量定理：199911cqcqApApFmamgin110AA011100cqcqApApmama①②①，②009909ApApcqcqFmamgin计算Fout090)(pAAFout2019/8/5航空发动机原理39§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2019/8/5航空发动机原理40§2.2涡喷发动机推力的计算2.2.3用气动函数表示的推力公式的推