发动机原理（航空）课件：第四章 涡轮风扇发动机

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1、第四章第四章涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机第四章第四章 涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机 第一节第一节 基本工作原理基本工作原理 第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数 第三节第三节 部件特点部件特点 第四节第四节 各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律 第五节第五节 发动机特性发动机特性2022年12月7日2第一节第一节 基本工作原理基本工作原理2022年12月7日3 涡喷发动机在低速飞行条涡喷发动机在低速飞行条件下推力小，经济性差件下推力小，经济性差 涡喷发动机为提高热效率，涡喷发动机为提高热效率，将燃气发生器产生的可用将燃气发生器产生的可用能量全部转换为气体的动能量全部转换为气体

2、的动能增量，进、排气速度差能增量，进、排气速度差大，推进效率低。大，推进效率低。能否在不降低发动机热效能否在不降低发动机热效率的条件下，提高推进效率的条件下，提高推进效率，改善低速飞行条件下率，改善低速飞行条件下的总效率？的总效率？0229000909022902212thpthpVVWqqFsVVVVVVW 涡喷发动机：第一节第一节 基本工作原理基本工作原理2022年12月7日4第一节第一节 基本工作原理基本工作原理 发动机由涡喷过渡到涡扇发动机，是否仅发动机由涡喷过渡到涡扇发动机，是否仅仅改善经济性？仅改善经济性？2022年12月7日5第一节第一节 基本工作原理基本工作原理 由单轴涡喷由单

3、轴涡喷双轴涡喷双轴涡喷 高增压比压气机，非设计状态前后高增压比压气机，非设计状态前后“不匹配不匹配”双轴涡喷缓和了压气机前后双轴涡喷缓和了压气机前后“不匹配不匹配”的矛盾的矛盾 随发动机循环参数提高，随发动机循环参数提高，“不匹配不匹配”仍然严重仍然严重 解决方案：解决方案：由双轴涡喷由双轴涡喷双轴涡扇双轴涡扇 涡扇发动机的优点：涡扇发动机的优点：不仅改善了经济性，还进一步改善了非设计点不仅改善了经济性，还进一步改善了非设计点匹配性匹配性2022年12月7日6第一节第一节 基本工作原理基本工作原理2022年12月7日7第一节第一节 基本工作原理基本工作原理2022年12月7日8YmaIImaI

4、qq涵道比的定义：外涵道进口空气流量内涵道进口空气流量第一节第一节 基本工作原理基本工作原理 两种类型两种类型分开排气分开排气混合排气混合排气2022年12月7日9第一节第一节 基本工作原理基本工作原理分开排气涡扇发动机分开排气涡扇发动机 组成：组成：进气道、进气道、风扇、风扇、压气机、压气机、燃烧室燃烧室、涡轮、涡轮、外外涵道、涵道、内、外涵尾喷管。内、外涵尾喷管。I 内涵内涵 II外涵外涵 2022年12月7日10第一节第一节 基本工作原理基本工作原理分开排气涡扇发动机分开排气涡扇发动机 风扇功能及工作原理与压气机相同风扇功能及工作原理与压气机相同 F=FI+FII2022年12月7日11

5、第一节第一节 基本工作原理基本工作原理混合排气涡扇发动机混合排气涡扇发动机 组成：组成：进气道、进气道、风扇风扇、压气机、压气机、燃烧室、燃烧室、涡轮涡轮、外、外涵道、涵道、混合器、混合器、尾喷管。尾喷管。2022年12月7日12第一节第一节 基本工作原理基本工作原理热力循环热力循环 气流在涡轮和尾喷气流在涡轮和尾喷管的总膨胀功管的总膨胀功We 涡轮功分为两部分涡轮功分为两部分“压气机压气机”涡轮涡轮WT I“风扇风扇”涡轮涡轮WT II 内涵喷管出口动能内涵喷管出口动能 EK=V92/22022年12月7日13第一节第一节 基本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理 作为热机，当在发动

6、机中获得的机械能一作为热机，当在发动机中获得的机械能一定时，把这个能量分配给工质，工质的质定时，把这个能量分配给工质，工质的质量流量越多，即参与产生推力的工质越多，量流量越多，即参与产生推力的工质越多，推力越大，耗油率越低。推力越大，耗油率越低。2022年12月7日14第一节第一节 基本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理 证明：（教材证明：（教材P41）将将“同参数同参数”的分别排气涡扇与涡喷比较的分别排气涡扇与涡喷比较 内涵总增压比相同内涵总增压比相同 加热量相同加热量相同 循环功相同循环功相同 涡喷参数涡喷参数“1”，涡扇参数，涡扇参数“2”2022年12月7日15maImaqq

7、1第一节第一节 基本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理 假设假设 不考虑从内涵气流向外涵气流能量传递过程的不考虑从内涵气流向外涵气流能量传递过程的损失；损失；气流在尾喷管出口达到完全膨胀。气流在尾喷管出口达到完全膨胀。“同参数同参数”具有相同的具有相同的理想循环功理想循环功2022年12月7日169299VVVIII第一节第一节 基本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理2022年12月7日17)2)(1(2)1()2)()2(202922029112120292202911VVYVVYqqqqqqVVqqVVqmamaIImaImamaImamaIImaIma第一节第一节 基

8、本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理 排气速度排气速度 推力推力 V0=0时时2022年12月7日181)(1()()(092091120920922209111VVVVFFVVYqVVqFVVqFmaImama919220292202910)2)(1(2VVYVVYVVYFF112第一节第一节 基本工作原理基本工作原理质量附加原理质量附加原理2022年12月7日19 热效率热效率 推进效率推进效率 总效率总效率 耗油率耗油率 12209209112092020910121VVVVVVVVVVppppthth1091092120102VVVVsfcsfc第一节第一节 基本工作原理基本

9、工作原理结论结论 涡扇发动机将从热机中获取的机械能分配涡扇发动机将从热机中获取的机械能分配给了更多的工作介质，参与产生推力工质给了更多的工作介质，参与产生推力工质增多，因此推力增大；增多，因此推力增大；相同热效率条件下降低了排气速度，减小相同热效率条件下降低了排气速度，减小了余速损失，提高了推进效率，提高了总了余速损失，提高了推进效率，提高了总效率，降低了耗油率。效率，降低了耗油率。涵道比越大，推力越大，耗油率越低。涵道比越大，推力越大，耗油率越低。Y=0.31.5 sfc=0.0550.07kg/N.hr Y=58 sfc=0.03 0.04kg/N.hr2022年12月7日20第一节第一节

10、 基本工作原理基本工作原理分类分类 风扇位置风扇位置 排气方式排气方式 是否加力是否加力 轴数轴数2022年12月7日21第一节第一节 基本工作原理基本工作原理性能计算公式（分开排气）性能计算公式（分开排气）2022年12月7日22)()(36003600)()()()(090909090990099900999VVYVVfFqsfcVVYVVqFqqpppVqppAVqFVqppAVqFFFFIIImfIIImaImaImgIIIImaIIIIIIIImaIIIImaIIIImgIIIII第一节第一节 基本工作原理基本工作原理性能计算公式（混合排气）性能计算公式（混合排气）2022年12月7

11、日23)(1(36003600)(1()()(1()(0909090990900999VVYfFqsfcVVYqFppppAVVYqFqqqqqqqqVqppAVqFmfmaImaImaImgImaIImaImamaIImgImgmamg第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数1、涡轮前温度、涡轮前温度T3*重要的内涵循环参数重要的内涵循环参数 提高提高T3*，允许将更多的能量传给更多的外，允许将更多的能量传给更多的外涵气流，增加涵道比，提高推力。涵气流，增加涵道比，提高推力。2、增压比、增压比 重要的内涵循环参数重要的内涵循环参数 提高增压比，有利于热效率提高，改善经提高增压比，有利于热效

12、率提高，改善经济性济性2022年12月7日24第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数3、能量分配比、能量分配比2022年12月7日25TTIIWWX 第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数3、能量分配比、能量分配比 增加风扇增压比增加风扇增压比 风扇外涵压缩功风扇外涵压缩功WKII越大，风扇外涵增压越大，风扇外涵增压比越高，外涵排气速比越高，外涵排气速度越大；度越大；需要的涡轮功愈多，需要的涡轮功愈多，内涵涡轮功变少，内内涵涡轮功变少，内涵排气温度和压力越涵排气温度和压力越低，排气速度越小。低，排气速度越小。2022年12月7日26)/(11 2)/(11 2 1/)1(10*9*99

13、10*9*99*1*1*9*1*9PPTCVPPTCVTTPPIIpIIIIIpIIkIIKIIIIKIIII第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数3、能量分配比、能量分配比 分排涡扇分排涡扇 以获得最高推进效率以获得最高推进效率为分配原则为分配原则 内涵气流排气速度略内涵气流排气速度略大于外涵排气速度大于外涵排气速度 Y4 1级风扇级风扇2022年12月7日27第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数3、能量分配比、能量分配比 混排涡扇混排涡扇 以掺混损失最小为分以掺混损失最小为分配原则配原则 混合器进口内、外涵混合器进口内、外涵气流总压近似相等气流总压近似相等 风扇增压比风扇增压比=

14、35 34级风扇级风扇2022年12月7日28第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比1）分开排气）分开排气2022年12月7日29*1.11.11.1*1.1*2.188*2.1*888*8)()()(TqAKpqTqAKpTqAKpqmaIIIIIoutIIIIIIIImaII其中，maImaIIqqY根据涵道比的定义：1.181.18*1.1*2.1*1.1*2.1)()(AAconstqqconstYTTppIIoutII其中，则可以得到由于第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比1）分开排气）分开排气2022年12月7日30YqqqPPthen

15、ifYqqthenifqTnTTAAconstqqconstYIIIIIIIIIIIIIIHIIoutII)()()(Ma1)3()(11)(1)2()(Ma)1()()(1.1888*9*181.1881.1*1.1*1.1*11.181.18作线下移沿共同工其中，假设调节规律为nH=const第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比 无论外涵道喷管处于何种工作状态，分别无论外涵道喷管处于何种工作状态，分别排气涡扇发动机的涵道比排气涡扇发动机的涵道比Y均随飞行均随飞行Ma的的增加而增加。增加而增加。外涵道喷管临界：外涵道喷管临界：Ma增加，增加，Y增加增加 外函道喷管亚临

16、界：外函道喷管亚临界：Ma增加，增加，Y大幅度增加大幅度增加2022年12月7日31第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比 涡扇发动机的防喘机理：涡扇发动机的防喘机理：当飞行当飞行Ma数增加，导致高压压气机相对流通数增加，导致高压压气机相对流通能力下降时，风扇出口的气流将更多的流向外能力下降时，风扇出口的气流将更多的流向外涵道，这有利于进一步缓和低相似转速下涵道，这有利于进一步缓和低相似转速下“前前重后轻重后轻”的矛盾。的矛盾。2022年12月7日32第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比2）混合排气）混合排气2022年12月7日33*1.11.11

17、.1*1.1*2.144*2.1*444*4)()()(TqAKpqTqAKpTqAKpqmaIIIIIoutIIIIIIIImaII其中，maIImaIqYq根据涵道比的定义：*1.21.11.21.1441.11.1()()outIIIIppTTAqYconstconstqA由于，则可以得到其中，第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比2022年12月7日34441.1()1()IIIIqconstq混合排气：Y881.1()1()IIIIqconstq分别排气：Yl 随飞行Ma增加，混合排气发动机的涵道比增加速度比分别排气发动机快。（若风扇、压气机等部件设计参数相同）

18、第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比 增加涵道比使发动机单增加涵道比使发动机单位推力下降位推力下降 选择取决于选择取决于 涡轮前温度涡轮前温度 飞行速度飞行速度2022年12月7日35第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数4、涵道比、涵道比 亚音速飞机选择大涵道比涡扇发动机亚音速飞机选择大涵道比涡扇发动机 高增压比高增压比 高涵道比高涵道比 高涡轮前温度高涡轮前温度 超音速飞机选择小涵道比涡扇发动机超音速飞机选择小涵道比涡扇发动机 高涡轮前温度高涡轮前温度 适当的增压比适当的增压比 低涵道比低涵道比2022年12月7日36第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数

19、典型的亚音速飞机发动机典型的亚音速飞机发动机2022年12月7日37型型号号 年年代代、飞飞机机 增增压压比比 涡涡轮轮前前温温度度K 涵涵道道比比 起起飞飞F（N）起起飞飞SFC WJ5 50s Y7 7.2 1088 2133KW 0.349 JT3D 70s B707 16 1500 1.0 94308 0.51 CFM56-3 80s B737 24.3 1588 6.1 89172 0.35 GE90 90s B777 39.3 1703 8.4 382500 0.278 第二节第二节 主要的过程参数主要的过程参数 典型的军用发动机典型的军用发动机2022年12月7日38型型号号年年

20、代代 K*T3*BPR推推重重比比WP7-乙乙六六十十8.8512885.5J79-GE-17 六六十十13.412604.63F404-GE-400八八十十2515890.347.24AL-31 八八十十23.816650.68.17EJ200九九十十2618030.410YF120九九十十252820000.210第三节第三节 部件特点部件特点一、风扇一、风扇 高增压比跨音级（级增高增压比跨音级（级增压比压比=1.7-2.2)为减振，加强刚性，带为减振，加强刚性，带减振阻尼凸台；减振阻尼凸台；设计为有蜂窝结构的宽设计为有蜂窝结构的宽弦叶片。弦叶片。2022年12月7日39第三节第三节 部件

21、特点部件特点一、风扇一、风扇2022年12月7日40第三节第三节 部件特点部件特点二、压气机二、压气机 级增压比不断提高级增压比不断提高 提高叶尖切线速度提高叶尖切线速度 增加叶片负荷增加叶片负荷 改进稳定工作范围改进稳定工作范围 采取有效的防喘措施采取有效的防喘措施 提高压气机效率提高压气机效率 改进叶型改进叶型 严格控制叶尖间隙严格控制叶尖间隙2022年12月7日41第三节第三节 部件特点部件特点三、燃烧室三、燃烧室 短环型火焰筒短环型火焰筒 低排放污染低排放污染 分区供油分区供油 间歇喷油间歇喷油2022年12月7日42第三节第三节 部件特点部件特点四、涡轮四、涡轮 采用耐高温材料（定向

22、结采用耐高温材料（定向结晶、单晶精密铸造）；晶、单晶精密铸造）；冷却技术（冷却气、高温冷却技术（冷却气、高温涂层）；涂层）；为提高效率，采用主动径为提高效率，采用主动径向间隙控制技术，可使巡向间隙控制技术，可使巡航耗油率降低航耗油率降低1%。2022年12月7日43第三节第三节 部件特点部件特点五、混合器五、混合器 掺混目的掺混目的 可获得可获得1-3%的推力增益；的推力增益；降低排气速度，降低噪音；降低排气速度，降低噪音；降低排气温度，降低红外辐降低排气温度，降低红外辐射（隐身）射（隐身）便于加力。便于加力。提高掺混效果，掺混斗设计提高掺混效果，掺混斗设计2022年12月7日44第四节第四节

23、各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律 共同工作条件（与涡喷相同）共同工作条件（与涡喷相同）共同工作方程共同工作方程 高压转子（与单轴涡喷相同）高压转子（与单轴涡喷相同）低压转子低压转子 分排 混排2022年12月7日451*1*(1)()(1)(1)()1(1)(1 1/)kLkLkHkLkLkLkHkLTLTLeqconstYeqconstYe 第四节第四节各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律 共同工作线共同工作线2022年12月7日46第四节第四节各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律 双轴发动机共同点双轴发动机共同点 几何不可调发动机，共同工作线都具有唯

24、一性几何不可调发动机，共同工作线都具有唯一性 双轴发动机区别：双轴发动机区别：双轴涡喷发动机在低换算转速状态下，低压转双轴涡喷发动机在低换算转速状态下，低压转子共同工作线较平缓，容易喘振；子共同工作线较平缓，容易喘振；涡扇发动机外涵道相当于对低压压气机后端放涡扇发动机外涵道相当于对低压压气机后端放气，增大了气，增大了q（）,使得工作线下移；使得工作线下移；混合排气发动机共同工作线最陡峭，防喘效果混合排气发动机共同工作线最陡峭，防喘效果最好。最好。2022年12月7日47第四节第四节各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律调节规律调节规律 分排涡扇发动机分排涡扇发动机(因通常几何参数不可

25、调因通常几何参数不可调)调节中介：燃油调节中介：燃油 调节参数：调节参数：低压转速（如G.E.)发动机压比（如PW)混排涡扇发动机混排涡扇发动机 调节中介：燃油、调节中介：燃油、A8 调节参数：组合控制规律调节参数：组合控制规律2022年12月7日48第四节第四节各部件共同工作和调节规律各部件共同工作和调节规律 例：在各种飞行条件下产生尽可能大的推力例：在各种飞行条件下产生尽可能大的推力 进气总温进气总温 255K 等相似转速调节等相似转速调节 255K进气总温进气总温 288K 等低压转速调节等低压转速调节 288K进气总温进气总温 373K 排气温度排气温度=f(进气总温进气总温)A8=f

26、(进气总温进气总温)2022年12月7日49第五节第五节 发动机特性发动机特性1、转速特性、转速特性 特性变化趋势基本与特性变化趋势基本与涡喷发动机相同涡喷发动机相同 涵道比随转速降低而涵道比随转速降低而增大增大 节流时，低压转子转节流时，低压转子转速比高压转子转速下速比高压转子转速下降快，转差率更大，降快，转差率更大，有利于防喘有利于防喘2022年12月7日50第五节第五节 发动机特性发动机特性2、速度特性、速度特性 不加力涡扇发动机速度特性不加力涡扇发动机速度特性 设计涵道比设计涵道比Yd不同不同,推力随推力随Ma的变化规律不同的变化规律不同 Yd大于大于1,推力随推力随Ma增加呈下降趋势

27、增加呈下降趋势 Yd越大越大,耗油率随耗油率随Ma增加上升越剧烈增加上升越剧烈2022年12月7日51第五节第五节 发动机特性发动机特性2、速度特性、速度特性 复燃加力涡扇发动机速度特性复燃加力涡扇发动机速度特性 设计涵道比设计涵道比Yd 1 加力比更大加力比更大 高速下耗油率与涡喷相当高速下耗油率与涡喷相当 巡航时不加力耗油率低巡航时不加力耗油率低有利于增加作战半径有利于增加作战半径2022年12月7日52小涵道比涡扇发动机小涵道比涡扇发动机适合适合超音速超音速战斗飞机战斗飞机*afm ixTFT第五节第五节 发动机特性发动机特性3、高度特性、高度特性 推力随高度增加而推力随高度增加而下降下

28、降 H11Km 耗油率不变耗油率不变 高度特性优于涡喷高度特性优于涡喷2022年12月7日53小结小结 工作过程及质量附加原理工作过程及质量附加原理 大涵道比涡扇发动机大涵道比涡扇发动机 高涵道比、高增压比、适当的涡轮前温度高涵道比、高增压比、适当的涡轮前温度 起飞推力大起飞推力大 噪音低噪音低 巡航耗油率低巡航耗油率低 随随Ma增加增加,推力单调下降推力单调下降,只适用于亚音速飞机只适用于亚音速飞机2022年12月7日54小结小结 小涵道比加力涡扇发动机小涵道比加力涡扇发动机 高涡轮前温度、低涵道比、适当的增压比高涡轮前温度、低涵道比、适当的增压比 加力比大加力比大 巡航耗油率低巡航耗油率低 适用于超音速飞机适用于超音速飞机2022年12月7日55理想循环功理想循环功2022年12月7日56涡扇发动机内涵循环涡扇发动机内涵循环 涡喷循环涡喷循环推进效率比较推进效率比较2022年12月7日57