航空燃氣渦輪發動機原理 屠寶鋒南京航空航天大學能源與動力學院2013年9月 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 2 第一章緒論 內容 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 要求 通過本講 了解航空燃氣渦輪發動機 以渦噴發動機為典型代表 的組成 各部件的功能 工作原理 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 3 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 渦輪噴氣發動機組成進氣道 壓氣機 燃燒室 渦輪 尾噴管及燃油 滑油系統 空氣及動力系統 附件系統 組成 對于加力式渦噴發動機還有加力燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 4 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 不同形式的進氣道 軸對稱進氣道 二元進氣道 T50 J11 幻影 SR71 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 5 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 不同形式的進氣道 A 10 鷂式 B777 C 17 皮托式進氣道 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 6 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 風扇 高壓壓氣機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 7 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 風扇 增壓壓氣機 高壓壓氣機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 8 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 燃燒室 管型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 9 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 燃燒室 管環型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 10 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 燃燒室 環型燃燒室 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 11 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 渦輪 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 12 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 尾噴管 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 13 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 渦輪噴氣發動機組成簡圖 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 14 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 進氣道 把氣體引入發動機 減速增壓亞聲速飛行時 以較小的總壓損失輸送空氣 超聲速飛行時 減速增壓是進氣道的一個主要功用 同時保證總壓損失較小 當飛行速度很高時 不再需要壓氣機 僅靠進氣道實現氣體增壓 變成沖壓發動機 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 15 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 壓氣機 提高氣體壓力氣體流過壓氣機時 總 靜壓增加 能量增加 壓氣機運轉所需的動力 機械能 由渦輪提供 渦輪 壓氣機 空氣 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 16 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 燃燒室 將化學能轉化為熱能氣流近似于等壓燃燒 溫度大幅提高 燃燒室出口總溫越高 發動機推力越大 燃燒室出口的最大容許總溫由渦輪葉片的耐熱強度及渦輪的冷卻技術決定 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 17 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 渦輪 將熱能轉化為機械能從燃燒室出來的高溫高壓燃氣流進渦輪通道 在渦輪中膨脹 對渦輪做功 將氣體的部份熱能轉化成機械能來維持壓氣機旋轉 另一部分熱能用于提高氣體的速度 增加氣體的動能 一級渦輪可帶動多級軸流壓氣機 原因 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 18 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 假設單級高速渦輪落壓比 2 0 單級壓氣機增壓比 2 0壓氣機進口總溫 287K 渦輪進口總溫 1800K 能量守恒 單級壓氣機Luc 63kJ kg單級渦輪Lut 325kJ kg 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 19 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 尾噴管 排出氣體 增速減壓使渦輪出口燃氣在尾噴管中繼續膨脹 將部分熱焓轉變為動能 增加氣流速度 增大發動機推力 調節尾噴管面積 可以改變發動機的工作狀態 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 20 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 特征截面編號 教科書上劃分的特征截面編號 0 0發動機遠前方未擾動截面 1 1進氣道出口 壓氣機進口 2 2壓氣機出口 燃燒室進口 3 3燃燒室出口 渦輪進口 4 4渦輪出口 9 9尾噴管出口 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 21 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 單軸渦噴 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 22 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 雙軸渦扇 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 23 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 特征截面編號 目前主流的特征截面編號 大涵道比渦扇 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 24 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 理想循環工質為完全氣體 定壓比熱和定容比熱為定值 忽略氣體流動過程的流動損失 即流動等熵 加熱在等壓下進行 且燃油完全燃燒 尾噴管出口靜壓等于外界大氣壓 噴管完全膨脹 理想循環渦噴發動機的氣體壓力和比容積的關系 表示總參數 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 25 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 發動機以C0的速度飛行 排氣速度為C9 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 26 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 0 2 等熵壓縮過程0 1為進氣道利用速度沖壓的壓縮過程 流動絕熱 氣流流經進氣道 總溫 總壓不變 速度減小 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 27 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 0 2 等熵壓縮過程1 2為壓氣機的壓縮過程 由于 氣流流經壓氣機 總溫 總壓 靜溫 靜壓增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 28 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 2 3 定壓加熱過程為氣流流經燃燒室時的等壓加熱過程 根據能量守恒方程 每公斤氣體加入的熱量為 由于 由于流動沒有損失 由于等壓膨脹 氣流流經燃燒室 總壓 靜壓不變 總溫 速度和靜溫增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 29 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 3 9 等熵膨脹過程3 4為燃氣流過渦輪的膨脹過程 由于 過程為等熵膨脹 熱能 動能轉化為機械功 氣流流經渦輪 總壓 總溫 靜溫 靜壓減小 速度增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 30 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 溫度下降 把熱能轉化成動能 4 9 等熵膨脹過程4 9為氣流在噴管內進一步等熵膨脹加速 等熵過程 膨脹過程 氣流流經尾噴管 總壓 總溫不變 靜溫 靜壓減小 速度增加 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 31 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 9 0 定壓放熱過程在發動機外部完成 燃氣從噴管排出后與大氣摻混 經過與大氣熱交換后 燃氣溫度逐漸趨于大氣溫度 放出的熱量為 完全膨脹 這部分熱量損耗 無法再利用 靜壓不變 靜溫 速度減小 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 32 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 根據能量守恒 理想循環功等于 其中 Wi表示1公斤氣體在完成循環后 獲得的能量 等于PV圖中虛線所包圍面積 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 33 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 熱力學第一定律 對系統的加熱量等于系統內能的變化和容積改變功之和 證明 理想循環功等于虛線所圍面積 對系統的加熱量等于系統焓的增量和等熵壓縮功之差 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 34 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 對于理想循環過程 可得 而 所以 證明 理想循環功等于虛線所圍面積 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 35 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 根據0 0截面至9 9截面的能量守恒關系 由于 和 可得 1 氣流流過發動機所獲得的能量增量等于其動能增量 2 理想循環 動能增量等于PV圖中虛線所包圍面積 3 噴管的作用 加速氣流 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 36 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 實際循環氣體成份是變化的 同時氣體溫度變化范圍很大 定壓比熱和定容比熱是變化的 實際過程總是有損失的 燃燒加熱過程中是減壓過程 氣體加熱膨脹 密度減小 速度增加 靜壓降低 噴管出口壓力通常大于大氣壓 實際循環功 pv圖上實際循環過程實線所包圍的面積 其中 多變壓縮功 多變膨脹功 2020 1 9 航空燃氣渦輪發動機原理 37 1 2渦輪噴氣發動機工作原理 根據伯努利方程 提供給壓氣機的渦輪功 膨脹過程摩擦損失 驅動螺旋槳 旋翼的渦輪功 壓氣機功 壓縮過程摩