1、第一章第一章燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机基本工作原理基本工作原理 一、涡轴发动机的组成一、涡轴发动机的组成主要组成部件：主要组成部件：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管涡轮：涡轮：燃气发生器涡轮燃气发生器涡轮压气机压气机自由涡轮自由涡轮旋翼等旋翼等2025/7/10 进气道将工质引入进气道将工质引入 压气机增压压气机增压 燃烧室燃烧室喷油燃烧加热喷油燃烧加热 涡轮膨胀作功带动压气机涡轮膨胀作功带动压气机并输出轴功率并输出轴功率 尾喷管将气体排到体外尾喷管将气体排到体外涡轴发动机工作过程涡轴发动机工作过程2025/7/10涡轴发动机分类涡轴发动机分类定轴式定
2、轴式o涡轮驱动压气机，并驱动功率输出轴涡轮驱动压气机，并驱动功率输出轴o涡轮产生的功率远大于压气机所需的功涡轮产生的功率远大于压气机所需的功o优点：功率传输方便、结构简单、操纵调节方便优点：功率传输方便、结构简单、操纵调节方便o缺点：起动性能差、加速性不好、需要大的减速器缺点：起动性能差、加速性不好、需要大的减速器2025/7/10涡轴发动机分类涡轴发动机分类o产生输出功率的自由涡轮安装在发动机功率输出轴上产生输出功率的自由涡轮安装在发动机功率输出轴上o因自由涡轮输出轴功率，也称为动力涡轮因自由涡轮输出轴功率，也称为动力涡轮o优点：起动性好、工作稳定、加速性好、调节性能和优点：起动性好、工作稳
3、定、加速性好、调节性能和经济性好经济性好o缺点：结构相对复杂缺点：结构相对复杂自由涡轮式（大部分）自由涡轮式（大部分）2025/7/10二、理想循环二、理想循环布莱顿（布莱顿（BratonBraton）循环，循环，1872年提出。年提出。发动机工作时，不断从外界吸入空气，经过一系列发动机工作时，不断从外界吸入空气，经过一系列热力过程，最后排出尾喷管，排出气体在外界逐步热力过程，最后排出尾喷管，排出气体在外界逐步散失能量最终达到与外界大气平衡，构成一个不断散失能量最终达到与外界大气平衡，构成一个不断循环的过程。循环的过程。假设：假设：(1)工质为空气工质为空气；(2)忽略流动损失；忽略流动损失；
4、3)气流在尾喷管达到完全膨胀。气流在尾喷管达到完全膨胀。2025/7/10发动机特征截面发动机特征截面2025/7/10理想循环理想循环由四个热力过程组成由四个热力过程组成 0 2i：等熵压缩等熵压缩2i 3i：等压加热等压加热3i 9i：等熵膨胀等熵膨胀9i 0：等压放热等压放热2025/7/10描述循环过程的参数描述循环过程的参数增压比增压比 加热比加热比 压缩功压缩功 WC膨胀功膨胀功 Wp加热量加热量 q1放热量放热量 q22025/7/10三、实际循环三、实际循环各部件损失和热力过程的不可逆性各部件损失和热力过程的不可逆性组成：组成：多变（不等熵）压缩过程多变（不等熵）压缩过程不等
5、压加热过程不等压加热过程多变（不等熵）膨胀过程多变（不等熵）膨胀过程等压放热过程（当等压放热过程（当P9P0时）时）2025/7/10实 际 循 环2025/7/10实 际 循 环2025/7/10实 际 循 环循环功循环功热效率热效率2025/7/10设计循环参数对涡轴发动机的影响设计循环参数对涡轴发动机的影响T3*一定，提高增压一定，提高增压比可有效改善发动机比可有效改善发动机热效率，降低耗油率热效率，降低耗油率增压比一定，提高涡增压比一定，提高涡轮前温度，可增加循轮前温度，可增加循环有效功，因此可有环有效功，因此可有效提高单位输出功率效提高单位输出功率并降低耗油率并降低耗油率设计循环参数
6、压气机增压比、涡轮前温度、部件效率设计循环参数：压气机增压比、涡轮前温度、部件效率2025/7/10第二节第二节 性能指标和基本要求性能指标和基本要求一、涡轴发动机性能指标一、涡轴发动机性能指标q发动机功率发动机功率Pe (千千瓦瓦kw或或马力马力Hp)q单位功率单位功率Ps (kw.s/kg)(200-250kg.s/kg)q轴功率质量比或功重比轴功率质量比或功重比Pw（kw/kg）（10-15kw/kg）q耗油率耗油率sfc (kg/kw.h)(起飞：起飞：300g/kw)2025/7/10二、基本要求二、基本要求高功重比（高单位功率）高功重比（高单位功率）低耗油率低耗油率高稳定可靠性高
7、稳定可靠性低成本低成本低污染低污染2025/7/10现代直升机涡轴发动机现代直升机涡轴发动机G性能先进性能先进G起飞耗油率低：起飞耗油率低：230g-340g/kw.hG功率质量比高功率质量比高:：5-11kw/kgG经济性好经济性好G巡航状态耗油率低巡航状态耗油率低G维护费用低维护费用低G寿命长寿命长G可靠性高可靠性高G提前更换率低、平均无故障间隔时间长、性能衰退率低提前更换率低、平均无故障间隔时间长、性能衰退率低G有技术发展潜力有技术发展潜力G环境适应性强环境适应性强G防沙能力、红外抑止能力、抗损伤、防坠毁能力防沙能力、红外抑止能力、抗损伤、防坠毁能力2025/7/10下一代直升机发动机发
8、展下一代直升机发动机发展在性能方面：在性能方面：压气机增压比、涡轮前温度将进一步提高压气机增压比、涡轮前温度将进一步提高单位功率、功重比将较大提高、耗油率显著下降单位功率、功重比将较大提高、耗油率显著下降结构方面结构方面新材料和新工艺新材料和新工艺重量更轻重量更轻新方案新方案可转换的涡轴可转换的涡轴/涡扇发动机涡扇发动机克服传动减速器笨重的缺点克服传动减速器笨重的缺点研究喷气旋翼和翼尖喷气发动机研究喷气旋翼和翼尖喷气发动机液压传动减速系统液压传动减速系统2025/7/10第二章第二章 涡轴发动机各部件共同工作涡轴发动机各部件共同工作第一节第一节 燃气发生器各部件的共同工作燃气发生器各部件的共同
9、工作一、共同工作及共同工作线一、共同工作及共同工作线燃气发生器由压气机、燃烧室、涡轮组成，三个燃气发生器由压气机、燃烧室、涡轮组成，三个部件之间的相互作用和影响称为部件之间的相互作用和影响称为“共同工作共同工作”。各部件必须满足的各部件必须满足的共同工作条件共同工作条件：流量连续流量连续:qma+qmf=qmg压气机与燃气涡轮功率平衡压气机与燃气涡轮功率平衡:Wk=WT压气机与燃气涡轮转速相等：压气机与燃气涡轮转速相等：nknT压力平衡：压力平衡：P2*b=P3*2025/7/10压气机与涡轮流量连续压气机与涡轮流量连续由流量连续共同工作关系得由流量连续共同工作关系得到到增压比增压比与温比、与
10、温比、q(1)的的关系关系2025/7/10当温度比一定时，发当温度比一定时，发动机流通能力与增压动机流通能力与增压比成正比；比成正比；取不同温度比值，得取不同温度比值，得一束等温比线一束等温比线温度比越高，等温比温度比越高，等温比线越陡；线越陡；当进气温度一定时，当进气温度一定时，提高涡轮前温度将导提高涡轮前温度将导致压气机工作点移向致压气机工作点移向喘振边界喘振边界2025/7/10压气机所需功率与涡轮前温度、涡轮膨胀压气机所需功率与涡轮前温度、涡轮膨胀比的关系比的关系当外界条件变化引起压气机功变化时，为维当外界条件变化引起压气机功变化时，为维持功平衡，必须改变涡轮前温度或涡轮膨胀持功平衡
11、必须改变涡轮前温度或涡轮膨胀比，否则将导致转子转速变化。比，否则将导致转子转速变化。压气机与涡轮功率平衡压气机与涡轮功率平衡2025/7/10燃气发生器与自由涡轮的共同工作燃气发生器与自由涡轮的共同工作流量连续条件：流量连续条件：通过燃气发生器涡轮的通过燃气发生器涡轮的燃气流量与通过自由涡燃气流量与通过自由涡轮的燃气流量近似相等轮的燃气流量近似相等燃气发生器涡轮的膨胀比只与截面积和燃气发生器涡轮的膨胀比只与截面积和q()有关，当：有关，当：1.燃气发生器涡轮和自由涡轮处于临界状燃气发生器涡轮和自由涡轮处于临界状态或超临界状态时态或超临界状态时 q(dx)=1；q(dx4)=12.Adx、Ad
12、x4固定不变时固定不变时 燃气发生器涡轮的膨胀比燃气发生器涡轮的膨胀比 T*=常数常数2025/7/10燃气发生器共同工作方程燃气发生器共同工作方程将各共同工作方程式联立，获得将各共同工作方程式联立，获得共同工作方程共同工作方程将压气机特性图上所有使方程式将压气机特性图上所有使方程式得到满足的点连成线获得燃气发得到满足的点连成线获得燃气发生器的生器的共同工作线共同工作线2025/7/10燃气发生器燃气发生器共同工作线共同工作线一台几何不变的发动一台几何不变的发动机，当自由涡轮处于机，当自由涡轮处于临界工作状态时：临界工作状态时：无论飞行条件或燃气无论飞行条件或燃气发生器转速如何变化发生器转速如
13、何变化 燃气发生器共同工作燃气发生器共同工作点总在同一条工作线点总在同一条工作线上移动上移动共同工作线与每一条共同工作线与每一条等相似转速线有唯一等相似转速线有唯一交点交点2025/7/10燃气发生器共同工作线燃气发生器共同工作线当飞行条件一定时：当飞行条件一定时：燃气发生器转速增加，工作点燃气发生器转速增加，工作点沿工作线右上移沿工作线右上移燃气发生器转速降低，工作点燃气发生器转速降低，工作点沿工作线左下移沿工作线左下移当燃气发生器转速一定时：当燃气发生器转速一定时：飞行飞行M数增加，工作点沿工作线数增加，工作点沿工作线左下移左下移飞行高度增加（低于飞行高度增加（低于11公里），公里），工作
14、点沿工作线右上移工作点沿工作线右上移飞行条件、燃气发生器转速变化归飞行条件、燃气发生器转速变化归结为结为2025/7/10共同工作线的求法共同工作线的求法 共同工作线的具体求法需要试凑共同工作线的具体求法需要试凑步骤：步骤：根据压气机设计点的参数和共同工作方程计算根据压气机设计点的参数和共同工作方程计算C Cd d 在等换算转速线上任取一点在等换算转速线上任取一点a将将a点的参数代入共同工作方程式，得点的参数代入共同工作方程式，得C比较比较C Cd d和和C，若两者差值小于允许误差，若两者差值小于允许误差，a点为共同工作点，否则重选一点点为共同工作点，否则重选一点2025/7/10燃气发生器共
15、同工作线燃气发生器共同工作线当自由涡轮导向器喉当自由涡轮导向器喉道面积道面积Adx4变化时变化时，引起涡轮膨胀比变化，引起涡轮膨胀比变化，共同工作线移动，共同工作线移动，Adx4越小，越靠近喘越小，越靠近喘振边界。振边界。当自由涡轮进入亚临当自由涡轮进入亚临界状态时，对应每一界状态时，对应每一个飞行个飞行M数有一条共数有一条共同工作线，同工作线，M数越低，数越低，越靠近喘振边界越靠近喘振边界2025/7/10部件匹配与性能调试部件匹配与性能调试一台满足性能设计要求的发动机，它各个部件一台满足性能设计要求的发动机，它各个部件的性能必须是相互匹配的的性能必须是相互匹配的如新生产的发动机发生部件不相
16、匹配的情况，如新生产的发动机发生部件不相匹配的情况，压气机增压比和涡轮前燃气温度不能同时达到压气机增压比和涡轮前燃气温度不能同时达到设计值，发动机的性能也就不能满足设计要求设计值，发动机的性能也就不能满足设计要求例如，某一台发动机由于燃气涡轮产生的功率过大，例如，某一台发动机由于燃气涡轮产生的功率过大，涡轮前燃气温度低于设计值时便将压气机带到设计涡轮前燃气温度低于设计值时便将压气机带到设计转速下工作。由于涡轮前燃气温度较低，就不能使转速下工作。由于涡轮前燃气温度较低，就不能使发动机产生应有的功率。发动机产生应有的功率。在性能调试过程中，通常可以通过调整燃气涡在性能调试过程中，通常可以通过调整燃
17、气涡轮导向器喉道面积和轮导向器喉道面积和/或自由涡轮导向器喉道或自由涡轮导向器喉道面积面积，达到部件匹配和性能达到设计要求的目达到部件匹配和性能达到设计要求的目的的2025/7/10压气机设计增压比压气机设计增压比对共同工作线的影响对共同工作线的影响高设计增压比的共同工作线较平，相对换算转高设计增压比的共同工作线较平，相对换算转速减小时压气机容易进入喘振；速减小时压气机容易进入喘振；低设计增压比的共同工作线较陡，相对换算转低设计增压比的共同工作线较陡，相对换算转速减小时共同工作点远离喘振边界。速减小时共同工作点远离喘振边界。2025/7/10重要结论重要结论燃气发生器各部件共同工作的结果燃气发
18、生器各部件共同工作的结果共同工共同工作线。作线。飞行条件或燃气发生器工作转速变化时，燃飞行条件或燃气发生器工作转速变化时，燃气发生器共同工作点总在共同工作线上移动气发生器共同工作点总在共同工作线上移动当当Adx和和Adx4变化变化时时，将引起涡轮膨胀比变化，将引起涡轮膨胀比变化，共同工作线发生移动，共同工作线发生移动，因此在发动机试车调因此在发动机试车调试中，可以通过改变试中，可以通过改变Adx和和Adx4，调整发动机调整发动机的性能。的性能。高设计增压比的发动机在转速降低过程中，高设计增压比的发动机在转速降低过程中，压气机更易产生喘振，必须采取防喘措施压气机更易产生喘振，必须采取防喘措施20
19、25/7/10定轴式涡轴发动机定轴式涡轴发动机部件共同工作特点部件共同工作特点油门杆位置对应一定转速油门杆位置对应一定转速桨矩杆位置对应一定桨矩角桨矩杆位置对应一定桨矩角尾喷管始终处于亚临界状态尾喷管始终处于亚临界状态各部件共同工作为一个工作面各部件共同工作为一个工作面 2025/7/10第第四章四章涡轴发动机性能仿真涡轴发动机性能仿真第一节第一节涡轴发动机设计点热力计算涡轴发动机设计点热力计算n设计点热力计算目的设计点热力计算目的 计算发动机的单位输出功率、耗油率和沿流程截面的计算发动机的单位输出功率、耗油率和沿流程截面的气流参数，并根据飞机对发动机功率需求确定通过发气流参数，并根据飞机对发
20、动机功率需求确定通过发动机的空气流量和特征尺寸。动机的空气流量和特征尺寸。n热力计算方法热力计算方法n已知条件已知条件n飞行条件和大气条件飞行条件和大气条件n循环参数、部件效率、损失系数循环参数、部件效率、损失系数n沿发动机流程逐个部件，利用气动热力学公式，计算沿发动机流程逐个部件，利用气动热力学公式，计算特征截面气流参数、油气比等，最后计算性能参数特征截面气流参数、油气比等，最后计算性能参数2025/7/10第二节第二节 特性通用计算方法特性通用计算方法n以以发发动动机机各各部部件件特特性性、气气动动热热力力学学关关系系、控控制制规律以及部件间共同工作关系为基础；规律以及部件间共同工作关系为
21、基础；n考虑气体热力性质随温度、气体成份的变化；考虑气体热力性质随温度、气体成份的变化；n基本算法：基本算法：n根根据据给给定定的的发发动动机机控控制制规规律律、飞飞行行条条件件、大大气气温温度度、大大气气湿湿度度、工工作作状状态态等等，按按照照各各部部件件共共同同工工作作条条件件确确定定工工作作点点，即即确确定定满满足足共共同同工工作作条条件件的的转转速速、压压气气机机增增压压比比、涡涡轮轮前前燃燃气气温温度度、空空气气流流量量、涡涡轮轮膨膨胀胀比比、油油气气比比、排排气气速速度度和和排排气气压压力力等等，然然后后再再计计算算发发动动机机输出功率和耗油率。输出功率和耗油率。2025/7/10
22、2.1 发动机通用特性计算方法发动机通用特性计算方法n已知条件：已知条件：n设计点参数设计点参数n部件特性曲线部件特性曲线n飞行条件、油门位置飞行条件、油门位置n调节规律调节规律n计算步骤计算步骤n从发动机从发动机0-0截面到尾喷管出口截面，逐个部件进截面到尾喷管出口截面，逐个部件进行热力计算，如遇到未知量时先试取一个初始值，行热力计算，如遇到未知量时先试取一个初始值，最后根据发动机共同工作条件平衡求解其精确值。最后根据发动机共同工作条件平衡求解其精确值。2025/7/102.2 试取变量试取变量1压气机增压比；压气机增压比；2涡轮前气流总温涡轮前气流总温T*33燃气涡轮膨胀比燃气涡轮膨胀比4
23、自由涡轮膨胀比自由涡轮膨胀比2025/7/102.3 偏差函数偏差函数1燃气发生器转子功率平衡燃气发生器转子功率平衡2根根据据试试取取参参数数算算出出的的燃燃气气涡涡轮轮进进口口流流量量与特性图上查得的流量平衡与特性图上查得的流量平衡3根根据据试试取取参参数数算算出出的的自自由由涡涡轮轮进进口口流流量量与特性图上查得的流量平衡与特性图上查得的流量平衡4计算的喷管出口面积与设计值相等计算的喷管出口面积与设计值相等2025/7/102.3 偏差函数偏差函数2025/7/102.4 非线性方程组非线性方程组2025/7/10这这个个方方程程组组是是多多元元非非线线性性方方程程组组，而而且且无无法法
24、用用显显式式表表达达，只只能能按按照照发发动动机机流流程程热热力力计计算算步步骤骤进进行行计计算算才才能能得得到到偏偏差差量量E和和试试取取值值V之之间间的的关关系。系。确确定定共共同同工工作作点点，就就是是求求出出使使得得E=0的的V向向量，即求解方程组：量，即求解方程组：2025/7/10若用向量V表示m个试取值，即：用向量E表示m个残量，即：残量E是试取值向量V的函数，即：2025/7/102.5 多元非线性方程组求解多元非线性方程组求解n一般求解多元非线性方程组的方法：一般求解多元非线性方程组的方法：n将其转换为线性方程组，如采用牛顿法，将其转换为线性方程组，如采用牛顿法，求全微分得多
25、元线性方程组求全微分得多元线性方程组n用高斯消去法求解多元线性方程组用高斯消去法求解多元线性方程组n将所得线性解将所得线性解回代到非线性方程组回代到非线性方程组n由于原方程组是非线性的，所以一次计由于原方程组是非线性的，所以一次计算不会使残量算不会使残量E=0，需要反复进行迭代，需要反复进行迭代，最后才能求得满意结果最后才能求得满意结果2025/7/10三 性能仿真模型n部件级非线性能仿真模型除能准确描述发动机的特性（功率/耗油率）外，还能准确提供发动机各部件的工作参数如：喘振裕度、各截面温度、压力和流量等；n采用部件法建立的模型精度高，可在全包线内模拟发动机的稳态和动态特性，但它往往需要精确
26、的部件特性数据，且算法相对复杂，计算耗时长。2025/7/103.1 部件级仿真模型逻辑结构发动机初始时刻状态及共同工作点参数发动机控制器模型油门指令高度马赫数发动机流路计算流量连续转子功率平衡修正发动机状态发动机该时刻状态及共同工作点参数否是发动机初始时刻状态及共同工作点参数发动机控制器模型油门指令高度马赫数发动机流路计算质量、能量堆积转子功率供求变化压缩部件出口压力变化率转子转速变化率发动机下一时刻状态及该时刻的共同工作点参数图1 常用的部件级实时仿真模型示意图（开环求解）图2 部件级仿真模型示意图（闭环求解）2025/7/10n图1所示的方法也称为容积法，是一种基于部件特性的不迭代求解的
27、积分计算方法；计算速度快（不到1ms），但与积分方法和积分步长关系密切，有累积误差。难以达到与迭代（闭环）求解模型一致的精度；n随着计算机速度的提高，加上涡轴发动机的计算相对加力混排涡扇简单，计算速度速度快，通过采取一定的措施，采用闭环求解的模型完全可以达到实时要求。2025/7/103.2 部件级实时模型常用的简化方法1.仅考虑转子的转动惯性影响；2.对发动机的部件特性作一些特殊处理；3.采用定物性参数的假定；4.降低计算复杂性。如将压气机的温比近似成压比的分段线性函数，避免幂指数运算；5.减少共同工作方程；6.针对确定的发动机对象，改进部件算法；7.尽可能减少循环迭代次数。2025/7/10
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