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1、第一章 燃气涡轮发动机 基本工作原理,2019年9月30日,一、涡轴发动机的组成 主要组成部件： 进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管,涡轮： 燃气发生器涡轮压气机 自由涡轮旋翼等,2019年9月30日,进气道将工质引入 压气机增压 燃烧室喷油燃烧加热 涡轮膨胀作功带动压气机并输出轴功率 尾喷管将气体排到体外,涡轴发动机工作过程,2019年9月30日,涡轴发动机分类,定轴式,涡轮驱动压气机，并驱动功率输出轴 涡轮产生的功率远大于压气机所需的功 优点：功率传输方便、结构简单、操纵调节方便 缺点：起动性能差、加速性不好、需要大的减速器,2019年9月30日,涡轴发动机分类,产生输出功率的自由涡轮安
2、装在发动机功率输出轴上 因自由涡轮输出轴功率，也称为动力涡轮 优点：起动性好、工作稳定、加速性好、调节性能和经济性好 缺点：结构相对复杂,自由涡轮式（大部分）,2019年9月30日,二、理想循环,布莱顿（Braton）循环，1872年提出。 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。 假设： (1)工质为空气 ； (2)忽略流动损失； (3)气流在尾喷管达到完全膨胀。,2019年9月30日,发动机特征截面,2019年9月30日,理想循环,由四个热力过程组成 0 2i：等熵压缩 2i 3i：等压
3、加热 3i 9i：等熵膨胀 9i 0：等压放热,2019年9月30日,描述循环过程的参数,增压比 加热比 压缩功 WC 膨胀功 Wp 加热量 q1 放热量 q2,2019年9月30日,三、实际循环,各部件损失和热力过程的不可逆性 组成： 多变（不等熵）压缩过程 不等压加热过程 多变（不等熵）膨胀过程 等压放热过程（当P9P0时）,2019年9月30日,实 际 循 环,2019年9月30日,实 际 循 环,2019年9月30日,实 际 循 环,循环功 热效率,2019年9月30日,设计循环参数对涡轴发动机的影响,T3*一定，提高增压比可有效改善发动机热效率，降低耗油率 增压比一定，提高涡轮前温度
4、，可增加循环有效功，因此可有效提高单位输出功率并降低耗油率,设计循环参数：压气机增压比、涡轮前温度、部件效率,第二节 性能指标和基本要求,2019年9月30日,一、涡轴发动机性能指标,发动机功率Pe (千瓦kw或马力Hp) 单位功率Ps (kw.s/kg) ( 200-250kg.s/kg) 轴功率质量比或功重比Pw （kw/kg）（ 10-15kw/kg） 耗油率sfc (kg/kw.h) (起飞：300g/kw),2019年9月30日,二、基本要求,高功重比（高单位功率） 低耗油率 高稳定可靠性 低成本 低污染,2019年9月30日,现代直升机涡轴发动机,性能先进 起飞耗油率低：230g-
5、340g/kw.h 功率质量比高:：5-11kw / kg 经济性好 巡航状态耗油率低 维护费用低 寿命长 可靠性高 提前更换率低、平均无故障间隔时间长、性能衰退率低 有技术发展潜力 环境适应性强 防沙能力、红外抑止能力、抗损伤、防坠毁能力,2019年9月30日,下一代直升机发动机发展,在性能方面： 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 结构方面 新材料和新工艺 重量更轻 新方案 可转换的涡轴/涡扇发动机 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 液压传动减速系统,第二章 涡轴发动机各部件共同工作,2019年9月30日,第一节 燃气发生
6、器各部件的共同工作,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，三个部件之间的相互作用和影响称为“共同工作”。 各部件必须满足的共同工作条件： 流量连续: qma+qmf=qmg 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：nknT 压力平衡： P2*b=P3*,2019年9月30日,压气机与涡轮流量连续,由流量连续共同工作关系得到增压比与温比、q(1)的关系,2019年9月30日,当温度比一定时，发动机流通能力与增压比成正比； 取不同温度比值，得一束等温比线 温度比越高，等温比线越陡； 当进气温度一定时，提高涡轮前温度将导致压气机工作点移向喘振边界,
7、2019年9月30日,压气机所需功率与涡轮前温度、涡轮膨胀比的关系 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比，否则将导致转子转速变化。,压气机与涡轮功率平衡,2019年9月30日,燃气发生器与自由涡轮的共同工作,流量连续条件： 通过燃气发生器涡轮的燃气流量与通过自由涡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q()有关，当： 1. 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 q(dx)=1； q(dx4)=1 2. Adx 、 Adx4固定不变时 燃气发生器涡轮的膨胀比,T*=常数,2019年9月30日,燃气发生器共同工作方程,将各共
8、同工作方程式联立，获得 共同工作方程,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生器的共同工作线,2019年9月30日,燃气发生器共同工作线,一台几何不变的发动机，当自由涡轮处于临界工作状态时： 无论飞行条件或燃气发生器转速如何变化 燃气发生器共同工作点总在同一条工作线上移动 共同工作线与每一条等相似转速线有唯一交点,2019年9月30日,燃气发生器共同工作线,当飞行条件一定时： 燃气发生器转速增加，工作点沿工作线右上移 燃气发生器转速降低，工作点沿工作线左下移 当燃气发生器转速一定时： 飞行M数增加，工作点沿工作线左下移 飞行高度增加（低于11公里），工作点沿工作线右上移 飞行
9、条件、燃气发生器转速变化归结为,2019年9月30日,共同工作线的求法,共同工作线的具体求法需要试凑 步骤： 根据压气机设计点的参数和共同工作方程计算Cd,在等换算转速线上任取一点a 将a点的参数代入共同工作方程式，得C 比较Cd和C，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,2019年9月30日,燃气发生器共同工作线,当自由涡轮导向器喉道面积Adx4变化时，引起涡轮膨胀比变化，共同工作线移动， Adx4越小，越靠近喘振边界。 当自由涡轮进入亚临界状态时，对应每一个飞行M数有一条共同工作线，M数越低，越靠近喘振边界,2019年9月30日,部件匹配与性能调试,一台满足性能设计要求的
10、发动机，它各个部件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，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轮导向器喉道面积和/或自由涡轮导向器喉道面积，达到部件匹配和性能达到设计要求的目的,2019年9月30日,压气机设计增压比 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
11、较陡，相对换算转速减小时共同工作点远离喘振边界。,2019年9月30日,重要结论,燃气发生器各部件共同工作的结果共同工作线。 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 当Adx和Adx4变化时，将引起涡轮膨胀比变化，共同工作线发生移动， 因此在发动机试车调试中，可以通过改变Adx和Adx4，调整发动机的性能。 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,2019年9月30日,定轴式涡轴发动机 部件共同工作特点,油门杆位置对应一定转速 桨矩杆位置对应一定桨矩角 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,第四章,涡轴发
12、动机性能仿真,2019年9月30日,第一节 涡轴发动机设计点热力计算,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气流参数，并根据飞机对发动机功率需求确定通过发动机的空气流量和特征尺寸。 热力计算方法 已知条件 飞行条件和大气条件 循环参数、部件效率、损失系数 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,2019年9月30日,第二节 特性通用计算方法,以发动机各部件特性、气动热力学关系、控制规律以及部件间共同工作关系为基础； 考虑气体热力性质随温度、气体成份的变化； 基本算法： 根据给定的发动机控制规律、飞行条件、大气温度、
13、大气湿度、工作状态等，按照各部件共同工作条件确定工作点，即确定满足共同工作条件的转速、压气机增压比、涡轮前燃气温度、空气流量、涡轮膨胀比、油气比、排气速度和排气压力等，然后再计算发动机输出功率和耗油率。,2019年9月30日,2.1 发动机通用特性计算方法,已知条件： 设计点参数 部件特性曲线 飞行条件、油门位置 调节规律 计算步骤 从发动机0-0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，最后根据发动机共同工作条件平衡求解其精确值。,2019年9月30日,2.2 试取变量,1压气机增压比； 2涡轮前气流总温T*3 3燃气涡轮膨胀比 4. 自由涡轮膨胀比,201
14、9年9月30日,2.3 偏差函数,1燃气发生器转子功率平衡 2根据试取参数算出的燃气涡轮进口流量与特性图上查得的流量平衡 3根据试取参数算出的自由涡轮进口流量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,2019年9月30日,2.3 偏差函数,2019年9月30日,2.4 非线性方程组,这个方程组是多元非线性方程组，而且无法用显式表达，只能按照发动机流程热力计算步骤进行计算才能得到偏差量E和试取值V之间的关系。 确定共同工作点，就是求出使得E=0的V向量，即求解方程组：,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：,2019年9月3
15、0日,2.5 多元非线性方程组求解,一般求解多元非线性方程组的方法： 将其转换为线性方程组，如采用牛顿法，求全微分得多元线性方程组 用高斯消去法求解多元线性方程组 将所得线性解回代到非线性方程组 由于原方程组是非线性的，所以一次计算不会使残量E=0，需要反复进行迭代，最后才能求得满意结果,2019年9月30日,三 性能仿真模型,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； 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，但它往往需要精确的部件特性数据，且算法相对复杂，计算耗时长。
16、,2019年9月30日,3.1 部件级仿真模型逻辑结构,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）,2019年9月30日,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； 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。,2019年9月30日,3.2 部件级实时模型常用的简化方法,仅考虑转子的转动惯性影响； 对发动机的部件特性作一些特殊处理； 采用定物性参数的假定； 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； 减少共同工作方程； 针对确定的发动机对象，改进部件算法； 尽可能减少循环迭代次数。,