航空發動機原理課時安排：56學時民用航空系劉磊辦公室：A1S-3112023/2/5航空發動機原理2緒論航空發動機發動機發展回顧與展望第11章第一部分熱力學和氣體動力學基礎第1章第二部分航空燃氣輪機的工作原理第2章第三部分發動機部件工作特性第3,4章第四部分典型發動機工作特性第5,6,7,8,9章第五部分其他發動機機簡介第10章課程結構2023/2/522023/2/5航空發動機原理3§

2.1航空燃氣輪機工作原理

2.1.1發動機組成及簡圖

2.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環

2.1.3雙軸式結構的燃氣發生器2.1.4核心機§

2.2渦噴發動機推力的計算§

2.3航空燃氣輪機的性能指標及效率第二部分

航空燃氣輪機的工作原理2023/2/532023/2/5航空發動機原理4

發動機組成§2.1航空燃氣輪機工作原理2023/2/542.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理52.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理62.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理72.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理82.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理92.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理102.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理112.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理122.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理132.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理142.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理152.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理162.1.1發動機組成及簡圖2023/2/5航空發動機原理172.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環

燃氣發生器是各類燃氣輪機的熱機部分，包括壓氣機、燃燒室和帶動壓氣機的那部分渦輪。原理：利用工質重復地進行某些工作過程同時不斷吸熱做功。

理想循環工質為空氣，為理想氣體，其比熱為常數，不隨氣體溫度和壓力而變化。整個工作過程沒有流動損失，壓縮過程與膨脹過程為絕熱等熵，燃燒前后壓力不變，沒有熱損失（排熱過程除外）和機械損失?！?.1航空燃氣輪機工作原理2023/2/5航空發動機原理182.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環1.理想循環CTB2134圖2.15燃氣輪機循環布置圖pV0021342134p-VTST-S1-2絕熱壓縮2-3等壓加熱3-4絕熱膨脹4-1等壓放熱2023/2/5航空發動機原理192.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環1.理想循環（1）衡量燃氣發生器性能的指標熱效率：加入每千克空氣的熱量中所能產生的可用功與所加熱量之比。比功

：單位質量空氣所作的功。（2）表示理想燃氣輪機循環工作狀態的參數增壓比：壓氣機出口靜壓與周圍大氣壓力之比。加熱比：燃燒室出口溫度與外界大氣溫度之比。

（3）理想燃氣輪機循環分析

能量方程式2023/2/5航空發動機原理202.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析

絕熱壓縮過程1~2pV02134p-V整個過程吸熱為0；兩個階段：

1~1’

迎面高速氣流在進氣道中的絕能流動，使工質減速增；壓；

1’~1壓氣機對工質做功?？倷C械功：2023/2/5航空發動機原理212.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析pV02134p-V

等壓加熱過程1~2在燃燒室內完成；工質所做的機械功為0：

工質吸熱量：為循環的加熱比2023/2/5航空發動機原理222.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析pV02134p-V

絕熱膨脹過程3~4整個過程吸熱為0；兩個階段：

3~3’

在渦輪中完成，渦輪從工質中獲得的機械功為：

3’~4在尾噴管或動力渦輪中完成，單位工質所做的功為?？倷C械功：2023/2/5航空發動機原理232.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析pV02134p-V

等壓放熱過程4~1整個過程是向大氣放熱；

機械功為0：總放熱量為：2023/2/5航空發動機原理242.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析

比功

熱效率或吸熱量放熱量2023/2/5航空發動機原理252.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環（3）理想燃氣輪機循環分析分析：增壓比，加熱比和

吸熱量，比功，熱效率之間的關系

理想燃氣輪機的熱效率只與增壓比有關，隨增大而單調增加；

在加熱比一定得條件下，有一個使比功達最大值的增壓比，稱為最佳增壓比，記為，最佳增壓比隨加熱比增大而增大；

加熱量和比功不僅與增壓比有關，還和加熱比有關2023/2/5航空發動機原理262.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環2.實際循環p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱

在壓縮和膨脹兩個絕熱過程中，由于存在流動損失，過程中熵增加，因此將絕熱過程改成多變過程，n代替k。

把燃燒室的壓力損失歸入總的膨脹過程，而燃燒過程仍可看做等壓加熱過程。2023/2/5航空發動機原理272.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環2.實際循環p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱表明壓縮過程流動損失：絕熱壓縮效率2023/2/5航空發動機原理282.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環2.實際循環p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱表明膨脹過程流動損失：絕熱膨脹效率2023/2/5航空發動機原理292.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環2.實際循環p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱總壓縮過程中，外界對單位工質做功：總膨脹過程中，單位工質對外界做功：2023/2/5航空發動機原理302.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環2.實際循環p21341-2多變壓縮n>k

2-3等壓加熱3-4多變膨脹n’<k

4-1等壓放熱實際循環的比功實際循環的熱效率：2023/2/5航空發動機原理312.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環分析：增壓比，加熱比和

吸熱量，比功，熱效率之間的關系實際循環的熱效率不只與增壓比有關，而且與循環增壓比有關。實際循環的效率隨增壓比增加，不再是單調增大，而起有一個極限值，使熱效率達極大值的增壓比為最經濟增壓比，記為在加熱比一定得條件下，有一個使比功達最大值的增壓比，稱為最佳增壓比，記為，

在實際循環中，隨著循環加熱比越大，損失所占熱量的比例相對減小，因此，加熱比越大，越大，，越高。2.實際循環2023/2/5航空發動機原理322.1.2燃氣發生器的理想循環和實際循環設計應用：1、由于加熱比越大，循環的比功和熱效率越高，所以設計燃氣輪機時，應在材料耐熱許可的情況下，盡量提高加熱比。2、在加熱比選定的情況下，

增壓比=最佳增壓比時，比功最大；

增壓比=最經濟增壓比時，熱效率最高；

因此，為了降低燃氣輪機的耗油率同時又能輸出較大的功率，設計增壓比一般大于最佳增壓比低于最經濟增壓比。2.實際循環2023/2/5航空發動機原理332.1.3雙軸式結構的燃氣發生器

雙軸式結構特點

使壓氣機在更廣闊的轉速范圍內穩定工作，是壓氣機防喘的有效措施之一；在低轉速下具有較高的壓氣機效率，因此可以使燃氣發生器在較低的渦輪前溫度下工作。由于渦輪前燃氣溫度較低而且壓氣機不易產生喘振，在加速時可以噴人更多的燃油，使雙軸燃氣輪機具有良好加速性能；由于雙軸燃氣發生器在非設計工況下具有較高的壓氣機效率，因此在非設計工況下的耗油率比單軸的低；雙軸的起動時，起動機只需要帶動一個轉子，與同樣參數的單軸比，可以采用較小功率的發動機。2023/2/5航空發動機原理342.1.4

核心機1.

單軸燃氣輪機——壓氣機和渦輪2.雙軸燃氣輪機——高壓壓氣機和高壓渦輪核心機燃氣發生器2023/2/5航空發動機原理35§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.1概述

發動機的推力：發動機內外氣體在各個表面上作用力的合力。8%200%20%110%18%228%128%100%2023/2/5航空發動機原理36§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.1概述解決：將發動機看成一個整體，通過計算發動機進口出口氣流動量的變化來確定發動機推力！計算各部件的軸向力合力法來計算發動機的推力困難發動機各部件形狀復雜，無法確切知道部件表面各處的氣體壓力和粘力！進氣排氣A0A0A1A1A9A92023/2/5航空發動機原理37§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.2發動機推力公式的推導計算假設：流量系數；

發動機表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力；氣體流經發動機外表面時，沒有摩擦阻力。001199C0C9A1A9P1P9P0P0A02023/2/5航空發動機原理38§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.2發動機推力公式的推導001199C0C9A1A9P1P9P0P0A0計算Fin

根據動量定理：

，

計算Fout2023/2/5航空發動機原理39§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.2發動機推力公式的推導2023/2/5航空發動機原理40§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.3用氣動函數表示的推力公式的推導發動機在地面工作時，C0=0多數情況，尾噴管處于臨界狀態，2023/2/5航空發動機原理41§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.4有效推力Fef表征實際工作中，考慮各種摩擦后的發動機實際推力。發動機的各種阻力發動機的內推力（計算推力）附加阻力波阻外表摩擦阻力時，應按照截面1來計算。2023/2/5航空發動機原理42§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.4有效推力Fef附加阻力001199A1A9A0計算假設1：流量系數；實際情況：流量系數；

亞音速飛行時，

C0>C1時，

C0<C1時，

超音速飛行時，取決于進氣道前面的激波狀態。由于按照截面0計算，誤將發動機前方的氣流流管壁當成進氣道的一部分而計算其受到的向前的軸向力，這部分多算進去的推力即附件阻力。2023/2/5航空發動機原理43§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.4有效推力Fef波阻計算假設2：發動機表面均勻受壓，且等于外界大氣壓力；實際情況：

亞音速飛行時，差別不大；超音速飛行時，由于發動機短艙外存在激波，使得發動機表面壓力大于大氣壓力，這部分壓差在發動機軸向投影的總和即為發動機的波阻。

波阻大小與飛機的飛行速度、發動機短艙外形、發動機安裝情況、尾噴管噴出的高速燃氣流的干擾都有很大關系，需要實驗方法確定。2023/2/5航空發動機原理44§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.4有效推力Fef外表摩擦阻力計算假設3：氣體流經發動機外表面時，沒有摩擦阻力。實際情況：發動機短艙外表面存在摩擦阻力；

大小與發動機短艙的外形及飛行馬赫數和雷諾數有關，需要用實驗方法確定。2023/2/5航空發動機原理45§

2.2渦噴發動機推力的計算2.2.4有效推力Fef發動機外部阻力與發動機短艙的形狀、發動機在飛機的安裝位置以及飛行條件密切相關，在不涉及某一架具體飛機而單獨討論發動機的推力時，不考慮這些阻力！2023/2/5航空發動機原理46§2.3推進器部分1.不同推進器的推力

推進器包括：尾噴管、螺旋槳、風扇和噴管等。

通過燃氣發生器，每千克空氣產生的可用功為（比功）

在可用功相同條件下，流量較大的噴射流可獲得較大的推力。

空氣流量：螺旋槳>渦扇>渦噴

推力：螺旋槳>渦扇>渦噴推力2023/2/5航空發動機原理47§2.3推進器部分2.發動機的推進效率

推進效率：衡量可用功轉變為飛機前進的推進功的程度。每千克空氣通過發動機時每秒鐘所做的推進功為：排出氣體的動能，可用功推進效率2023/2/5航空發動機原理48§2.4

航空燃氣輪機的性能指標及效率2.4.1基本單位參