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1、航空燃气涡轮发动机原理一、概述发动机的定义：将燃油燃烧释放出的热能转变为机械能的装置。涡轮喷气发动机工作原理：发动机工作时，空气从进气道进入， 经过压缩器压缩，压力提高，随即进入燃烧室与燃料混合并燃烧，燃 烧后的空气流入涡轮，涡轮便在高温高压空气的推动下旋转起来，从 而带动压缩器工作，最后空气在喷管中膨胀加速，高速向外产生推力。推力产生的原理：空气以速度 V 流入发动机，燃气以速度 V5 流 出发动机，由牛顿第二定律知，气体被加速，一定有力作用于气体， 而且加速度越大，作用力越大，这些作用力是发动机壳体及内部部件 作用于气体的力。根据牛顿第三定律知道，有作用力就有反作用力， 此反作用力就是气体
2、作用于发动机壁面上的力。推力的定义：气体对发动机作用力的轴向上的合力，就是发动机 的推力。推力公式：F=qm(V5-V)v5 喷气速度v 进气速度qm通过发动机的空气质量流量仅考虑通过发动机空气速度的变化时，随着飞机的速度增加，推 力减小。但是在低速时，随着速度增大进气道冲压原理使空气流量增 大，发动机推力增大。理想循环把发动机实际工作加以理想化后的各个热力过程所组成的可逆 闭合循环，就是理想循环。绝热压缩过程 ，等压加热过程，绝热膨胀过程，等压放热过程 。理想循环功越大，则动能增量越大，推力也越大。影响循环的因素：大气温度。思考：温度对发动机推力的影响涡轮前燃气温度。（转换热能增加，推力增加
3、）发动机增压比。假设温度/灵活温度当飞机的实际起飞重量低于最大起飞重量时，起飞并不需要全推 力，可以采用减推力起飞。这样可以延长发动机的寿命，降低维护成 本。为了管理推力的减量，我们引入了“假设温度”这一概念。假设 温度是一个假定的温度参数，与外界气温的意义不同。发动机根据假 设温度的高低来控制起飞推力的大小。影响推力大小的因素：涡轮前燃气温度越高，速度增量越大，推力越大。发动机增压比越高，理想循环先增大后减小，推力先增大后减小。飞行速度越快，由于冲压效应空气流量增大，前后速度差减小， 低速时推力增大，高速时推力减小。发动机转速越快，空气流量越大，推力越大大气温度越高，空气密度越小，理想循环越
4、小，推力越小。飞行高度越高，空气密度越小，大气温度越越低，推力越小。 发动机基本工作状态发动机从最大状态到最小的允许连续工作的转速之间，规定有几 种常用的基本工作状态：最大状态：转速和涡轮前燃气都达最大值，推力最大。最大状态 一般只用于起飞。额定状态：规定推力为最大推力的85%90%，额定推力一般 用于爬升。巡航状态：推力为最大推力的 65%75%，转速和涡轮前燃气 温度以及单位燃油消耗率较低。慢车状态：发动机能够稳定工作的小转速工作状态。推力指标推力 F单位推力Fs:单位时间内每1公斤空气流过发动机所产生的推力。推质比Fm：发动机的推力与发动机重量的比值迎面推力 FA：1 平方米的横截面积所
5、产生的推力经济指标燃油消耗量：单位时间进入燃烧室的燃油质量燃油消耗率：产生单位推力在一小时内所消耗的燃油质量使用性能工作可靠性起动迅速性加速性发动机寿命维护难易程度三、飞机动力装置各部分的组成和作用 进气道：引导足够的空气顺利进入压气机； 压气机：高速旋转叶轮对空气做功，压缩空气，提高空气压力； 燃烧室：高压空气与燃油混合燃烧，化学能转变为热能，形成高 温高压燃气；涡轮：高温高压燃气膨胀，向涡轮作功，涡轮与压气机在一根轴 上带动压气机转动；喷管：燃气继续膨胀、加速，提高燃气速度。进气道功用：在不同外界条件下，把足够的外部空气顺利地引入压气机。 分类亚音速进气道超音速进气道 亚音速进气道进气口前
6、缘较为钝圆，以避免低速起飞时进口处气流分离。内部 通道多为扩散形。在最大速度或巡航状态下，进入气流的减速增压过 程大部分在进口外面完成，通道内的流体损失不大，因而有较高的效 率。亚音速进气道构造简单、重量轻。超音速进气道超音速进气道通过多个较弱的斜激波实现超音速气流的减速。超 音速进气道分为外压式、内压式和混合式三类。 进气道的性能参数 空气流量：单位时间流入进气道的空气质量； 流动损失：空气流过进气道时，存在唇口损失和内部流动损失； 出口流场的畸变指数：进气道出口流场不均会导致压气机喘振 和燃烧室熄火； 冲压比：进气道出口处的总压与远前方气流静压的比值 压气机功用：对流过它的空气进行压缩，提
7、高空气压力，为燃气膨胀做 功创造条件，从而提高热效率，改善发动机的经济性，增大发动机的 推力。增压方法：利用高速旋转的叶片对空气做功，将压缩功转变为气 体的压力位能和内能。分类：离心式压气机（略）轴流式压气机组成：轴流式压气机由转子（由工作叶轮构成）、静子（由整流 器构成）和进气导向器组成。转子的功用是对空气做功，压缩空气， 提高空气压力；静子使空气扩压，继续提高空气的压力。基元级增压原理平血叶栅静叶平血叶柵 动叶平面叶栅 导流环轴流式压气机主要是利用扩散增压的原理来提高空气压力的。速度三角形W号空气流量 有关丿压气机叶片的扭转压缩机叶片不是直的，而是扭转的。由于沿叶高各基元级的工 作条件不同
8、，工作叶轮进口处在叶尖，平均直径和叶根的圆周 速度不同。叶尖：圆周速度大。叶根：圆周速度小。叶尖处叶型出气角小；叶根处叶型出气角大。压气机环形通道面积逐渐减小空气流入压气机后，随着压力逐渐提高，空气密度也逐渐增大, 由连续性定理可知，要保持接近恒定的气流轴向速度，就必须使通道 横截面积逐渐减小。燃烧室功用：使高压空气与燃油混合后燃烧，将燃油的化学能转变为热 能，形成高温高压的燃气，为在涡轮和喷管中膨胀创造条件。基本性能要求：点火可靠、燃烧稳定、燃烧完全、总压损失小、尺寸小、出口温度分布最合理、排气污染小等。 工作要求：燃油稳定燃烧； 燃烧室出口燃气的温度受到涡轮叶片材料的限制。稳定燃烧的条件：
9、 建立一个稳定气流速度等于火焰的传播速度。 方法：提高火焰传播速度和降低气流速度。 降低气流速度的措施：扩散器，旋流器,锥形火焰稳定器。提高火焰传播速度的措施：气流分股，促使燃油迅速液化，组成 余气系数合适的混合气。涡轮 功用：在高温高压燃气作用下旋转作功，使燃气膨胀，推动涡轮 旋转，输出功去带动压气机和附件。导向器：引导气流的流动以合适的方向流入工作叶轮并且加速。 工作叶轮：受到燃气的冲击以及燃气在其中的膨胀，使其转动作功，去带动压气机和附件。导向器工柞叶轮涡轮压气机同是和气流进行能量交换的叶片机，但涡轮和压气机 与气流间的能量交换在程序上相反，气流通过压气机时从动叶获得机 械能，而在涡轮中
10、，动能通过动叶转变为功。因此涡轮的相邻叶片之间的通道是收敛形的。并且由前图可以看 出：涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大，燃气膨胀的程度大，输 出的功大;涡轮中的气流速度比压气机大,燃气温度比压气机中的高， 涡轮的叶片比压气机的叶片厚。涡轮环形通道面积逐渐增大空气流入涡轮后，随着压力降低，空气密度减小，由连续性定理 可知，要保持接近恒定的气流轴向速度，就必须使通道横截面积逐渐 增大。涡轮设计要求：(1) 刚性均匀、重量轻，便于装拆。(2) 涡轮叶尖间隙小、效率高。（3）能够经受热冲击、热疲劳、处理好传热与自由膨胀的关系。高压涡轮间隙控制（HPTCC）系统FADEC （320飞机）通过HMU控制
11、HPTCC系统，HPTCC系统通过 调节用于冷却高压涡轮机匣的高压压气机引气流量来控制高压涡轮 的间隙。该系统使高压涡轮性能最佳比，并降低排气温度。低压涡轮间隙控制（LPTCC）FADEC （320飞机）通过HMU控制LPTCC系统，LPTCC系统通过调节用于冷却低压涡轮机匣的风扇引气流量来控制低压涡轮的间隙。 涡轮叶片的冷却作用：提高涡轮前燃气温度，提高发动机性能冷却方式：对流冷却：将冷却空气引入叶身，通过对流冷却。 冲击冷却:几股冷空气射流正对着被冷却表面,强化局部换热。 气膜冷却：气流由叶片表面小孔排出，在叶片表面产生一层冷却 气膜发散冷却：叶片外壁由多孔材料构成，冷却空气由壁面小孔流出
12、。 尾喷管将从涡轮流出的燃气膨胀加速，将燃气一部分热能转变为动能， 提高燃气速度，使燃气以很大的速度排出，产生很大的推力。 反推装置：将外函道后的空气折转向斜前方排气而产生反推力的装对反推力装置的要求：在保证发动机安全正常工作的情况下获得最大的反推力。 结构简单，重量轻，操纵灵活，发动机正常工作状态与反推力状态相 互转换所需的时间要短。合理选择排气方向，力求不产生非对称的反推力，保证飞机的操 纵稳定性，不使高温燃气喷射飞机机体。四、发动机的不稳定工作失速当压气机转速一定时，由于某种原因，使进入发动机的空气流量 减少，从而使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量下降，攻角 上升，到一定情况时，攻
13、角过大，气流在叶背处发生分离，这种现象 叫失速。堵塞当压气机的转速一定时，由于某种原因，使工作叶轮进口处绝对 速度在发动机轴向分量上升，攻角下降，到一定情况时，负攻角过大， 气流在叶盆处发生分离，使叶片通道变小，空气如同流过涡轮叶片通 道一样。旋转失速当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子叶片气流的正攻角 增加，导致叶片通道中气流分离。气流分离，往往先发生在一、两个 叶片的叶尖处，而后向周围、径向发展，同时这种分离区并不是固定 在这几个叶片上，而是以较低的转速与压气机的叶轮作同方向的旋转 运动，这种现象叫做旋转失速。由于气流分离后通道流通能力变差，通道溢出气流的挤压，使下 一叶片气流攻角增大
14、，出现气流失速分离，而原叶片前受阻气流向两 边溢流，流动情况改变，消除了该叶片的失速状态。依此类推，既失 速现象逆着转子叶片旋转方向传播。旋转失速的危害：使压气机的气动性能明显恶化，甚至无法工作；旋转失速会产生 频率较高、强度大而危险的激振力，并可能导致叶片共振断裂。 喘振定义：压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振 幅的振荡现象。内部原因：攻角过大，使气流在叶背处发生分离，而且这种气流 分离严重扩展至整个叶栅通道。现象与危害：发动机的声音由尖啸转变为低沉，发动机的振动加 大，压气机出口总压和流量大幅波动，转速不稳定，推力突然下降， 并有大幅度的波动；发动机的排气温度升高，造成超温
15、，严重时会发 生放炮，气流中断而发生熄火停车。喘振发生的条件发动机转速减小而偏离设计值时，各级增压比减小，出口处的密 度减小，级数增加密度减小的程度也越来越厉害。（与设计值工作时 空气的密度比较）由于连续性原理，各级流量系数逐级增大。前几级 进入喘振，后几级进入涡轮状态，称为“前喘后涡”。压气机进口总温升高发动机空气流量骤然减少 推油门过快，压气机进气口温度过高，流量减少； 着陆滑跑速度很低时使用反推，喷出的燃气又被吸入发动机，进 口温度骤然升高；飞行中拉杆过猛，使发动机进口与气流之间的夹角突然改变过 大，造成进气道内流场畸变而引起喘振；进气道结冰，整流罩变形。发动机损伤和翻修质量差 发动机的防喘机构有故障而失调、外来物等。防喘措施压气机中间级放气。原理：中间级放气相当于在压气机中多开了 一条通道使前几级空气流动阻力减小，空气流量增大，从而解除前几 级失速分离状态。由于放走一部分空气后几级空气流量减少，缓解后 几级的涡轮状态。优点：结构简单；有利于压气机在低转速下工作的稳定。 缺点：增压比下降，推力减小。可调导向器叶片和整流叶片。原理：通过改变导向器叶片安装角 度来改变工作
