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1、分类号 编 号 _ U D C 密 级_ 中国民航飞行学院 毕业设计（论文）题 目 试分析航空涡轮风扇发动机的性能特点作者姓名 张 爽_ 指导教师姓名及职称 周 长 春_ 讲师_ 系 及 专 业 名 称 飞 行 技 术 与航空工程学院 飞行技术 提交日期 2004 -5- 27 答辩日期 2004-6-3_ 答辩委员会主任 评阅人 _ 2004年06月03 日 试分析航空涡轮风扇发动机的性能特点学生：张 爽 指导老师：周长春【摘 要】 航空涡轮风扇发动机作为民用航空业中商用航空器的主要发动机，其在性能上具有推力大、效率高、污染小等优越性，使其得到了迅速的发展和广泛的应用。本文简单阐述了涡轮风扇
2、发动机的发展概况，并简要说明了涡扇发动机的基本组成及各部分的作用。简要描述了涡扇发动机的工作原理，通过质量附加原理对涡扇发动机与涡喷发动机进行了比较，分析了涡轮发动机的性能特点，比较了分路排气与混合排气涡扇发动机性能特点。通过涡轮风扇发动机的性能指标与实际涡轮风扇发动机相结合并比较，分析了涡扇发动机的性能对飞机和发动机的操纵带来的不同特点。关键词 ：涡扇发动机；性能；使用特点；质量附加原理Analyze Turbofan Engines PerformanceAbstract: Being the primary engine which is used in civil aviation t
3、ransprtation, the turbofan engine has larger thrust, more efficience, less waste and other advantages. It bas been used and developed rapidly. This article provide the development of the turbofan engine. Advising the construction of the turbofan engine precisely, the function of each section, and th
4、e working progress of the turbofan engine. By Quantiy-Addition, comparation of the turbofan engine and the turbojet engine. Analyze the turbofan engines performance, comparation the individual exhaust and the mixed exhaust. By the turbofan engine, analyze the turbofan engine and the difference of th
5、e control for flight.Keywords: Turbofan engine ； Performance ；Characteristics of operation; Quantiy-Addition principle；引言涡轮风扇发动机自六十年代初期问世以来，由于其耗油率低，噪音小的优越性，使喷气民航机变得更加经济和舒适，大大促进了民航运输业的发展。在干线飞机上,由于采用了高涵道比等先进技术，涡扇发动机的推力和经济性与涡轮喷气发动机有了很大的提高，使涡轮风扇发动机目前成为民用干线运输机的唯一动力装置。在支线客机上，由于针对支线客机的涡轮风扇发动机与以前大量运用于支线客机的涡
6、桨发动机相比较，在经济性上已经接近，而涡扇发动机具有速度和可靠性等方面，开始在支线客机上大量运用。1、涡扇发动机的发展概况1903年12月17日莱特兄弟驾驶“飞行者”1号，成功实现载人动力飞行时，发动机功率只有12马力。随着飞机广泛应用在军事、运输领域，航空工业尤其是民用航空业得到迅速发展，人们对飞机的性能也提出了更高的要求，如战飞机较高的机动性，民用飞机较好的经济性及可靠性等。飞机飞行性能的提高，在很大程度上取决于动力装置的发展，航空活塞发动机因其固有的缺陷越来越满足不了飞机的性能要求，人们需要重量更轻，推力更大，速度性能更好，能满足不同飞机性能要求的动力装置。实践证明，燃气涡轮发动机能满足
7、这些性能要求。航空上一切重大的成就，在某种程度上无一不与发动机性能的改善或新型发动机的研制成功有关，特别是自1939年8月27日装有涡轮喷气发动机的飞机在德国首次成功飞行以来，航空燃气涡轮发动机有了飞速发展.飞机的飞行速度、高度和航程也得以大大增加。涡轮喷气发动机在军机上有一个共同的缺点，即耗油率高；在民机上还有另一 大缺点，即噪声太大。而歼击机为了具有高机动性，要求发动机的推重比更高，涡轮喷气发动机则难以满足。在这种背景下，涡轮风扇发动机引起航空工程师的关注。涡轮风扇发动机吸收了涡轮喷气和涡轮螺旋桨发动机的优点，尤其在亚音速飞行时，这种发动机兼备了涡轮喷气发动机推进功率大和涡轮螺旋桨发动机经
8、济性好两方面优点.因此，涡扇发动机被广泛地用作高亚音速（M=0.8-0.9左右）轰炸机，运输机，强击机等飞机的动力装置，尤其在当今民用航空运输机上得到了最为广泛的应用。2、涡轮风扇发动机的基本组成及工作 1基本组成图1 涡轮风扇发动机的基本组成典型的涡扇发动机组成如图1，其空气通路分为内外两路，由进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管六大部分组成。进气道用来引导足够数量的空气顺利进入发动机，在飞行中还可以通过冲压作用提高压力。风扇用来使由进气道进入发动机的空气受到压力后加速，一部分由内涵进入压气机，另一部分由外涵向后喷出产生部分推力。压气机用来提高气体的压力，它通过高速旋转的叶轮，对进入压气
9、机的气体做功，达到增压的目的。燃烧室用来组织燃油与空气的混合燃烧，使燃油释放出热能，不断给气体加热，以提高气体温度。涡轮用来带动压气机和风扇转动，涡轮在燃烧室出口高温高压燃气作用下而旋转，并将燃气热能转换为涡轮机械功。由于涡轮各级转子转轴与压气机和风扇同轴连接，涡轮旋转时，即带动压气机、风扇转动。喷管用来使高温、高压燃体膨胀，将部分热能转换成气体动能、并与外涵受热加速后的气体混合，最后高速喷出。3、涡扇发动机的基本工作燃气涡轮发动机工作时，空气首先由进气道进入压气机，经过压气机压缩后，气体压力得到极大提高，随即进入燃烧室，和喷嘴喷出的燃料混合,并进行连续不断的燃烧，使燃油释放出热能，气体温度大
10、大提高。燃烧后形成的燃气流入涡轮并进行膨胀，涡轮便在高温、高压燃气推动下旋转起来，从而带动压气机工作，燃气经涡轮最后进入喷管，在喷管中继续膨胀，并将部分热能转换成动能，从喷口高速向外喷出。通过气体对发动机的反作用，而产生推力。涡扇发动机是基于质量附加原理而提出的。从结构上看，风扇是一个部件，由一级或多级涡轮带动。从循环的观点看，在风扇后，气流被分为两股，一股进入内涵道，即为核心发动机的质量流量，一股进入外涵道，即为附加的推进质量流量。因而，我们也可以把风扇看作是由两部分组成，即风扇的外涵部分和风扇的内涵部分。风扇的外涵部分压缩流过外涵的气流；风扇的内涵部分压缩流过内涵的气流，流入内涵的空气同涡
11、喷发动机一样，流入内涵的空气同涡喷发动机一样，也要经过压缩，燃烧和膨胀过程，从喷口高速喷出，产生内涵推力。但是，由于涡轮发动机的涡轮不仅需要带动压气机，还有带动外涵的风扇，所以同涡轮喷气发动机相比，燃气在涡扇发动机的涡轮中将膨胀得更多一些，以便将更多的燃气热能转换成涡轮功，从而带动压气机和风扇；涡扇发动机的喷气速度较涡轮发动机小。流入外涵的空气，经风扇叶片加压，气体压力，温度升高，在外涵管中膨胀加速，最后喷出发动机（一般比内涵喷气速度小），从而产生外涵推力。 所以，涡轮发动机是通过将部份燃气热能转换成涡轮功并传递给风扇，提高内外涵空气动能，使更多的空气参与产生推力。 经理论推导和试验表明：当涵
12、道比一定时，传递给外涵风扇的能量多少，对发动机性能有直接影响，对分路排气的涡扇发动机，若传递的能量过少，则内涵喷气速度过高，内涵气体动能损失增大，发动机总的推进效率将减小；若传递的能量过多，则外涵气体速度过高，外涵气体动能损失增大，发动机总的推进效率将减小，只有当传递的能量使内、外涵喷气速度相等时，发动机总的推进效率最高，对混合排气的涡扇发动机，发传递给外涵风扇的能量，使内、外涵的气体在混合气压相等时，发动机的总压损失最小，发动机推进效率最高。 需要特别说明的是，对高涵道涡扇发动机而言，由于外涵空气流量很大和涡轮前温度限制，要使内、外涵喷气速度相等或使内、外涵气体总压相等较难实现，所以当涡轮前
13、温度T3*提高，可将使更多的燃气热能转换成涡轮功并传递给风扇，一方面使发动机有效效率增加；另一方面由于风扇加功量增加，使外涵喷气速度（气体总压）接近于内涵喷气速度（气体总压），使发动机高涵道涡扇发动机的推力和经济性越好。4、质量附加原理 1质量附加原理是指：在一定的飞行速度下，当工质获得的可用能量(即可转变成气动能的能量)一定时，如果工质的质量越大，即参加产生推力的质量越多，则发动机的经济性越好，推力越大。为了更好地说明质量附加原理，下面我们在“同参数”条件下，比较涡喷和涡扇发动机的推力和经济性。见图2所示的两种发动机： 图2 “同参数“的涡扇发动机与涡喷发动机A为双转子涡喷发动机；B为双转子混合排气涡扇发动机。“同参数“条件是指：在一定的飞行速度下，两台发动机具有相同的压气机增压比、涡轮前温度、发动机供油量，即两台发动机气体获得的可用能量一样。(为便于理解，可认为此涡扇发动机是在该涡喷发动机基础上演变而来的)
