第2讲(第1章) (2).ppt

航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理屠宝锋屠宝锋南京航空航天大学南京航空航天大学 能源与动力学院能源与动力学院20132013年年9 9月月2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理2第一章第一章 绪论绪论内容内容：1.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理 要求要求：通通过过本本讲讲，了了解解航航空空燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机（以以涡涡喷喷发发动机为典型代表）的组成、各部件的功能、工作原理。动机为典型代表）的组成、各部件的功能、工作原理。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理31.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l涡轮喷气发动机组成涡轮喷气发动机组成q进进气气道道、压压气气机机、燃燃烧烧室室、涡涡轮轮、尾尾喷喷管管及及燃燃油油、滑油滑油系统系统，空气及动力系统（附件系统）组成，空气及动力系统（附件系统）组成。q对于加力式涡喷发动机还有对于加力式涡喷发动机还有加力燃烧室加力燃烧室。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理41.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理不同形式的进气道不同形式的进气道轴轴对对称称进进气气道道二二元元进进气气道道T50T50J11J11幻影幻影SR71SR712022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理51.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理不同形式的进气道不同形式的进气道A-10鹞式鹞式B777C-17皮托式进气道皮托式进气道2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理61.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理风扇风扇/高压压气机高压压气机2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理71.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理风扇风扇/增压压气机增压压气机/高压压气机高压压气机2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理81.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理燃烧室燃烧室管型燃烧室管型燃烧室2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理91.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理燃烧室燃烧室管环型燃烧室管环型燃烧室2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理101.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理燃烧室燃烧室环型燃烧室环型燃烧室2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理111.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理涡轮涡轮2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理121.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理尾喷管尾喷管2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理131.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机组成涡轮喷气发动机组成简图简图2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理141.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l进气道：进气道：把气体引入发动机，减速增压把气体引入发动机，减速增压q亚声速飞行时，以亚声速飞行时，以较小的总压损失较小的总压损失输送空气；输送空气；q超声速飞行超声速飞行时时，减速增压减速增压是进气道的一个主要功是进气道的一个主要功用用，同时，同时保证总压损失较小保证总压损失较小；q当飞行速度很高时，不再需要压气机当飞行速度很高时，不再需要压气机，仅靠进气，仅靠进气道实现气体增压道实现气体增压，变成，变成冲压发动机冲压发动机。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理151.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l压气机：压气机：提高气体压力提高气体压力q气体流过压气机时，气体流过压气机时，总、静压总、静压增加，增加，能量能量增加增加；q压气机压气机运转运转所需的动力（机械能）由涡轮提供所需的动力（机械能）由涡轮提供。涡轮涡轮压气机压气机空气空气2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理161.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l燃烧室：燃烧室：将将化学能转化为热能化学能转化为热能q气流气流近似近似于等压燃烧，温度大幅提高于等压燃烧，温度大幅提高；q燃烧室出口总温越高，发动机推力越大燃烧室出口总温越高，发动机推力越大；q燃烧室出口的燃烧室出口的最大最大容许总温由涡轮叶片的耐热强容许总温由涡轮叶片的耐热强度及涡轮的冷却技术决定度及涡轮的冷却技术决定。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理171.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l涡轮：涡轮：将将热能转化为机械能热能转化为机械能q从燃烧室出来的高温高压燃气流进涡轮通道，在从燃烧室出来的高温高压燃气流进涡轮通道，在涡轮中膨胀，对涡轮做功，将气体的部份热能转涡轮中膨胀，对涡轮做功，将气体的部份热能转化成机械能来维持压气机旋转，另一部分热能用化成机械能来维持压气机旋转，另一部分热能用于提高气体的速度，增加气体的动能；于提高气体的速度，增加气体的动能；q一级涡轮可带动多级轴流压气机一级涡轮可带动多级轴流压气机（原因？原因？）。）。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理181.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理假设单级高速涡轮落压比假设单级高速涡轮落压比=2.0，单级压气机增压比，单级压气机增压比=2.0压气机进口总温压气机进口总温=287K，涡轮进口总温，涡轮进口总温=1800K能量守恒能量守恒单级压气机单级压气机单级压气机单级压气机 LuLuc c63 kJ/kg63 kJ/kg单级涡轮单级涡轮单级涡轮单级涡轮 LuLut t325 kJ/kg325 kJ/kg2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理191.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l尾喷管：尾喷管：排出气体，增速减压排出气体，增速减压q使使涡涡轮轮出出口口燃燃气气在在尾尾喷喷管管中中继继续续膨膨胀胀，将将部部分分热热焓焓转变为动能，增加气流速度，增大发动机推力；转变为动能，增加气流速度，增大发动机推力；q调节尾喷管面积，可以改变发动机的工作状态。调节尾喷管面积，可以改变发动机的工作状态。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理201.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l特征截面编号特征截面编号教科书上划分的特征截面编号教科书上划分的特征截面编号0-00-0 发动机远前方未扰动截面；发动机远前方未扰动截面；1-1 1-1 进气道出口进气道出口/压气机进口；压气机进口；2-22-2 压气机出口压气机出口/燃烧室进口；燃烧室进口；3-33-3 燃烧室出口燃烧室出口/涡轮进口；涡轮进口；4-4 4-4 涡轮出口；涡轮出口；9-99-9 尾喷管出口；尾喷管出口；2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理211.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l特征截面编号特征截面编号目前主流的特征截面编号目前主流的特征截面编号单轴涡喷单轴涡喷2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理221.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l特征截面编号特征截面编号目前主流的特征截面编号目前主流的特征截面编号双轴涡扇双轴涡扇2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理231.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l特征截面编号特征截面编号目前主流的特征截面编号目前主流的特征截面编号大涵道比涡扇大涵道比涡扇2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理241.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l理想循环理想循环q工质为完全气体，定压比热和定容比热工质为完全气体，定压比热和定容比热为定值为定值；q忽略气体流动过程的流动损失，即流动等熵；忽略气体流动过程的流动损失，即流动等熵；q加热在等压下进行，且燃油完全燃烧；加热在等压下进行，且燃油完全燃烧；q尾尾喷喷管管出出口口静静压压等等于于外外界界大大气气压压。（喷喷管管完完全全膨膨胀）胀）理想循环涡喷发动机的气体理想循环涡喷发动机的气体压力压力和比容积的关系和比容积的关系“*”表示总参数表示总参数2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理251.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理发动机以发动机以C C0 0的速度飞行，排气速度为的速度飞行，排气速度为C C9 92022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理261.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l0-2：等熵压缩过程：等熵压缩过程0-1为进气道利用速度冲压的压缩过程为进气道利用速度冲压的压缩过程(流动绝热）流动绝热）气流流经进气道：总温、总压不气流流经进气道：总温、总压不变，速度减小，静温、静压增加变，速度减小，静温、静压增加2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理271.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l0-2：等熵压缩过程：等熵压缩过程1-2为为压气机压气机的压缩过程的压缩过程由于由于气流流经压气机：总温、总压、气流流经压气机：总温、总压、静温、静压增加。静温、静压增加。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理281.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l2-3：定压加热过程：定压加热过程为气流流经燃烧室时为气流流经燃烧室时的的等压加热等压加热过程过程根据能量根据能量守恒守恒方程，每公斤气体加入的热量为方程，每公斤气体加入的热量为:由于由于由于流动没有损失由于流动没有损失由于等压膨胀由于等压膨胀气流流经燃烧室：总压、静压不气流流经燃烧室：总压、静压不变，总温、速度和静温增加。变，总温、速度和静温增加。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理291.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l3-9：等熵膨胀过程：等熵膨胀过程3-4为为燃气流过涡轮的膨胀燃气流过涡轮的膨胀过程过程由于由于过程为等熵膨胀过程为等熵膨胀热能、动能转化为机械功热能、动能转化为机械功气流流经涡轮：总压、总温、静气流流经涡轮：总压、总温、静温、静压减小，速度增加。温、静压减小，速度增加。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理301.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理温度下降，把热能转化成动能。温度下降，把热能转化成动能。l4-9：等熵膨胀过程：等熵膨胀过程4-9为气流在喷管内进一步等熵膨胀加速为气流在喷管内进一步等熵膨胀加速等熵过程等熵过程膨胀过程膨胀过程气流流经尾喷管：总压、总温不气流流经尾喷管：总压、总温不变，静温、静压减小，速度增加变，静温、静压减小，速度增加2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理311.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l9-0：定压放热过程：定压放热过程在发动机外部完成在发动机外部完成燃气从喷管排出后与大气掺混燃气从喷管排出后与大气掺混，经过，经过与大气热交与大气热交换换后，燃气后，燃气温度温度逐渐逐渐趋于大气温度趋于大气温度。放出的热量为放出的热量为完全膨胀完全膨胀这部分热量损耗，无法再利用。这部分热量损耗，无法再利用。静压不变，静温、速度减小静压不变，静温、速度减小2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理321.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理根据能量守恒，理想循环功等于根据能量守恒，理想循环功等于其中：其中：Wi 表示表示1公斤气体在完成循环后，获得的能量。公斤气体在完成循环后，获得的能量。等于等于PV图中虚线所包围面积图中虚线所包围面积2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理331.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理热力学第一定律热力学第一定律:对系统的加热量等于系统内能的变化和对系统的加热量等于系统内能的变化和容积改变功之和。容积改变功之和。证明：理想循环功等于虚线所围面积证明：理想循环功等于虚线所围面积对系统的加热量等于系统焓的增量对系统的加热量等于系统焓的增量和等熵压缩功之差。和等熵压缩功之差。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理341.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理对于理想循环过程，可得对于理想循环过程，可得而而所以所以证明：理想循环功等于虚线所围面积证明：理想循环功等于虚线所围面积2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理351.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理根据根据0-0截面至截面至9-9截面的能量守恒关系截面的能量守恒关系由于：由于：和和可得：可得：1）气流气流流过发动机所获得的能量增量等于其动能增量流过发动机所获得的能量增量等于其动能增量；2）理想循环，理想循环，动能增量动能增量等于等于PV图中图中虚线虚线所包围面积所包围面积；3）喷管的作用）喷管的作用：加速气流：加速气流。2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理361.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理l实际循环实际循环q气体成份是变化的，同时气体温度变化范围很大气体成份是变化的，同时气体温度变化范围很大定压比热和定容比热是变化的；定压比热和定容比热是变化的；q实际过程总是有损失实际过程总是有损失的的；q燃烧加热过程中是减压过程燃烧加热过程中是减压过程气体加热膨胀气体加热膨胀、密密度减小、速度增加度减小、速度增加、静压降低、静压降低；q喷管出口压力通常大于大气压。喷管出口压力通常大于大气压。实际循环功：实际循环功：pv图上实际循环过程图上实际循环过程实线实线所包围的面积所包围的面积其中其中:多变压缩功 :多变膨胀功2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理371.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理根据伯努利方程根据伯努利方程 提供给压气机的涡轮功提供给压气机的涡轮功膨胀过程摩擦损失膨胀过程摩擦损失驱动螺旋桨、旋翼的涡轮功驱动螺旋桨、旋翼的涡轮功 压气机功压气机功压缩过程摩擦损失压缩过程摩擦损失2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理381.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理所以：实际循环功用于 增加气流动能增加气流动能；向外输出功向外输出功；克服流动损失克服流动损失。实际循环的有效功实际循环的有效功:循环过程动能增量与输出功之和循环过程动能增量与输出功之和2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理391.2 涡轮喷气发动机工作原理涡轮喷气发动机工作原理对于涡轮喷气发动机对于涡轮喷气发动机，实际循环有效功，实际循环有效功2022/12/17航空燃气涡轮发动机原理航空燃气涡轮发动机原理40结束