燃气涡轮发动机09-涡扇

1第9章涡扇发动机2涡扇发动机－工作原理及特点什么是涡轮风扇发动机?涡轮风扇发动是双通道多转子的燃气涡轮发动机。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。与纯涡喷发动机相比,涡扇发动的进气量大,喷气速度低,所以它的推力大,推进效率高,噪音低。34涡扇发动机－工作原理及特点9.1涡扇发动机的工作原理及特点9.1.1工作原理•涡轮风扇发动机是由进气道，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。•低压转子由风扇，低压压气机和低压涡轮组成。•高压转子由高压压气机和高压涡轮组成。•风扇的增压比一般在1.6-1.8的范围内,如V2500为1.7;PW2000为1.6-1.7;PW4000为1.66-1.76•低压压气机的级数较少,属于低增压比的压气机,如CFM56为3级;V2500为4级;JT9D为3级；PW2000为4级;PW4000为4级。•高压压气机的级数较多,属于高增压比的压气机,如CFM56为9级;V2500为10级;JT9D为11级；PW2000为12级;PW4000为11级。5涡扇发动机－工作原理及特点9.1涡扇发动机的工作原理及特点涵道比：外涵流量与内涵流量的比值。目前民用涡扇发动机的涵道比在1-5的范围内，•如：JT8D-217为1.73；•JT9D-7R4E为5.10；•PW4000为5.00；•RB211-535E4为4.3•CFM56-3/3C为5.0ImIImqqB,,6涡扇发动机－工作原理及特点9.1涡扇发动机的工作原理及特点涡扇发动机工作时，空气从内外两路流过发动机即外界空气通过进气道，由高速旋转的风扇叶片作功进行压缩，而后空气分为两路：•内路的工作情形与涡喷发动机相同即通过低压压气机和高压压气机的压缩，提高了压力，高压空气在燃烧室内与燃油混合燃烧，形成高温高压的燃气，高温高压的燃气首先在高压涡轮内膨胀，输出功去带动高压压气机；然后在低压涡轮内膨胀，输出功去带动低压压气机和风扇；最后通过喷管排如大气，产生一定的推力；•流过外涵的空气接着就膨胀并排入大气也产生反作用推力。7涡扇发动机－工作原理及特点•总推力由两部分组成，一是内涵产生的推力，二是外涵产生的推力。•在涡扇发动机中外涵产生的推力与总推力之比与涵道比有关，涵道比越大，外涵产生的推力占总推力的比例越大。•对于涵道比为4的涡扇发动机外涵所产生的推力约占总推力的80％。IIIFFF1,,,BBqqqFFImIImIImII8涡扇发动机－特点9.1.2涡扇发动机的特点一、推进效率•发动机的推进功率与通过发动机的气体单位时间的动能增量之比。•发动机的推进效率取决于喷气速度和飞行速度的比值。这个比值越大，发动机的推进效率越低，这个比值越小，发动机的推进效率越高。•在飞行速度相同的情况下，涡扇发动机的推进效率大于涡喷发动机的推进效率。这正是高亚音速飞机使用高涵道比涡扇发动机的原因。•当排气速度等于飞行速度的2倍时，发动机的推进效率约等于67％。VVP5129涡扇发动机－特点二、推进效率与推力的关系•涵道比越大，排气速度越低，则推进效率越高，推力越大•在飞行速度和动能增量相同的情况下，涡扇发动机的推力大于涡喷发动机的推力三、噪音低•噪音的强度与喷气速度的８次方成正比四、在一定的飞行马赫数范围内，燃油消耗率低。涡扇发动机的缺点是:•风扇直径大，迎风面积大，因而阻力大，同时发动机的结构复杂•涡扇发动机的速度特性不如涡喷发动机，特别是涵道比较高时，随飞行速度的增大，推力很快下降，因此，涡扇发动机只适用于高亚音速内飞行10涡扇发动机－工作原理及特点质量附加原理：涡扇发动机的工作原理都是以质量附加原理为基础的作为热机，当发动机获得一定的机械能之后，通过将这部分可用能的重新分配，将内涵得到的一部分可用能通过低压涡轮机带动风扇传递给外涵，以增加发动机的总空气流量，降低其排气速度，降低噪音，在一定的飞行速度范围内，增大发动机的推力，降低燃油消耗率。11涡扇发动机－自由能的最佳分配9.2.涡扇发动机自由能•从带动内涵压气机(包括内涵风扇部分)的涡轮后参数完全膨胀到大气压力的等熵膨胀功。•自由能用来压缩外涵空气和增加内涵燃气的动能。最佳自由能分配•使涡扇发动机的推进效率达到最大值的能量分配。•对于分别排气的涡扇发动机，在理想情况下，最佳自由能分配时外涵的喷气速度等于内涵的喷气速度。•对于分别排气的涡扇发动机，在实际情况下，最佳自由能分配时外涵的喷气速度稍小于内涵的喷气速度。•而在给定的飞行条件和最佳能量分配时风扇的最佳增压比随涵道比的增加而减小。12涡扇发动机－共同工作9.3涡扇发动机的共同工作一、高压转子的共同工作•假定高压涡轮和低压涡轮第一级导向器都处于临界或超临界状态,则高压涡轮和高压压气机在某一转速下稳定工作的共同工作和单转子涡喷发动机的共同工作完全类似。即，转速一致:高压涡轮的转速等于高压压气机的转速;流量连续:通过高压涡轮的燃气流量等于流过高压压气机的空气流量;压力平衡:高压涡轮进口处的总压等于高压压气机出口处的总压乘以燃烧室的总压恢复系数;功率平衡:高压涡轮输出的功率等于高压压气机所消耗的功率。13涡扇发动机－共同工作一、高压转子的共同工作•功率平衡为:•通过高压涡轮的燃气流量等于流过高压压气机的空气流量的条件下，当高压转子在某一转速下稳定工作时，高压涡轮输出的功等于高压压气机所消耗的功*1**3111THPTHPTTRwHPCHPTNNHPCHPTww14涡扇发动机－共同工作•在外界条件一定时，高压涡轮功的大小受涡轮前燃气总温，涡轮落压比和涡轮效率三个因素的影响：•高压涡轮的效率在很大的转速范围内基本保持不变，只有在低转速时才略有降低•在大部分转速范围内，高压涡轮导向器都处于临界或超临界状态，这时高压涡轮的落压比保持不变，只有在很低转速范围内，高压涡轮的落压比才随着转速的降低而减小。所以，在大部分转速范围内，高压涡轮的效率和落压比都保持不变，•这样,高压涡轮功就与高压涡轮前燃气总温的数值一一对应，也就是说，有一个高压涡轮前燃气总温的数值，就有一个确定的涡轮功的数值与之对应。15涡扇发动机－共同工作•于是，在某一转速下，根据高压压气机所消耗的功的大小，选择一个适当的高压涡轮前燃气总温，就能使高压涡轮功等于高压压气机功，以达到功的平衡。在低转速范围内，虽然高压涡轮的效率和落压比不再保持不变，但在每个转速下，它们仍然有一个一定的数值，同样也可以根据高压压气机功的大小，选择一个适当的高压涡轮前燃气总温，达到功的平衡。而选择高压涡轮前燃气总温的方法是改变供油量。•由此可见，保持高压转子在某个转速稳定工作的办法，就是通过调节供油量，控制高压涡轮前燃气总温，使高压涡轮功等于高压压气机所消耗的功。16涡扇发动机－共同工作二、低压转子的共同工作只要按高压转子的转速调节供油量，控制高压涡轮前的燃气总温，满足高压涡轮功与高压压气机功相平衡，高压转子就稳定在这个转速下工作，这时低压转子必然自动地稳定在一个相应的转速稳定工作。17涡扇发动机－涡扇发动机的特性9.4涡扇发动机的特性涡扇发动机的推力和燃油消耗率随发动机转速、飞行速度和飞行高度的变化规律•转速特性•速度特性•高度特性18涡扇发动机－涡扇发动机的特性9．4．1影响推力和燃油消耗率的因素一、影响推力的因素•流过内涵的空气流量、单位推力和涵道比二、影响燃油消耗率的因素•油气比、单位推力和涵道比三个)1)((5,BVVqFinm)1)((36005BVVfsfc19涡扇发动机－涡扇发动机的特性9.4.2转速特性在飞行速度和飞行高度保持不变的条件下，涡扇发动机的推力和燃油消耗率随发动机转速的变化规律双转子涡扇发动机有高、低两个转子，根据供油量是按照那个转子的需要进行调节的,就以那个转子的转速作为研究转速特性的基础，我国民航所用的涡扇发动机的供油量都是按照高压转子的转速进行调节的，故这里所说的发动机转速是高压转子的转速。21涡扇发动机－涡扇发动机的特性一、涵道比随转速的变化规律通过内涵的空气流量与高压压气机出口空气的总压成正比，而通过外涵的空气流量与风扇出口空气的总压成正比，所以外涵的空气流量只随风扇的增压比的增大而增大，流量增加的少一些,而内涵的空气流量不仅随风扇的增压比的增大而增大,还随低压压气机和高压压气机增压比的增大而增大，因而，流量增加的多一些，所以涵道比随转速的增大而减小。如图所示。22涡扇发动机－涡扇发动机的特性二、推力随转速的变化规律推力随转速的增加而增大。•转速增加时，高、低压压气机的增压比都增大，内涵流量一直增加，•由于压气机增压比的增大，使内、外涵的喷气速度不断增大，单位推力也一直增大，•这两个因素都会使推力增大，•如前所述，涵道比是随转速的增大而减小，这一因素会使推力减小，•但空气流量和单位推力的增加起主导作用，所以推力一直是增大的。•不过，在接近最大转速时，受涵道比减小的影响，推力增加的比较缓慢。239.3涡扇发动机的特性低转速范围内：转速推力燃油消耗率。原因：转速内涵流量F--------------------------转速涵道比F--------------------------F转速增压比p*2p*3p*4V5FsFsF转速T*3T*4V5Fs高转速范围内：转速推力原因：转速流量F-------------------------转速增压比p*2p*3p*4V5FsFsFF转速T*3T*4V5Fs转速涵道比F----------------------------24涡扇发动机－涡扇发动机的特性三、燃油消耗率随转速的变化规律：从慢车转速到中转速范围内，随着转速的增大,减小，单位推力增大，从而使燃油消耗率减小，但这时涵道比是减小的，从而使燃油消耗率增大，但由于前者起主要的作用，故在这一转速范围内，燃油消耗率随转速的增大而减小，同时减小的较快。从高转速范围内，随着转速的增大，单位推力增大，使燃油消耗率减小，但这时由于的增大和涵道比的减小，使燃油消耗率增大，两方面影响的结果使燃油消耗率减小得越来越慢，到接近最大转速时，急剧增加，使燃油消耗率随转速范的增加而增加。*2*3TT*2*3TT*2*3TT259.3涡扇发动机的特性低转速范围内：转速燃油消耗率。原因：转速压增比p*2p*3p*4V5Fssƒc转速T*3T*4V5Fs转速涵道比--------------------------sƒc转速(T*3-T*2)sƒc高转速范围内：转速燃油消耗率原因：转速压增比p*2p*3p*4V5Fssƒc转速T*3T*4V5Fs转速涵道比--------------------------sƒc转速(T*3-T*2)sƒc接近最大转速时转速燃油消耗率26涡扇发动机－涡扇发动机的特性9.4.3高度特性在飞行速度和发动机转速保持不变的条件下，涡扇发动机的推力和燃油消耗率随飞行高度的变化规律假设涡轮前温度保持不变，•飞行高度升高时，空气密度减小，发动机的空气流量一直减小。•在11000米以下,飞行高度升高时，大气温度降低，风扇增压比和内涵压气机增压比增加，使单位推力增大，涵道比减小；•在11000米以上，大气温度保持不变，单位推力和涵道比保持不变,•在上述影响推力的三个因素中，空气流量一直占主导地位，所以，随飞行高度的升高，推力一直减小。279.3涡扇发动机的特性对流层内飞行高度：推力燃油消耗率。原因：高度密度空气流量推力高度涵道比推力高度大气温度好压缩,增压比单位推力sƒc高度涵道比sƒc289.3涡扇发动机的特性同温层：飞行高度推力燃油消耗率原因：高度密度空气流量推力高度涵道比推力高度大气温度不变单位推力不变sƒc不变高度涵道比sƒc不变涡扇发动机－涡扇发动机的特性9.4.4速度特性一、涵道比随飞行速