第三至五讲1.3-1.7 喷气发动机热力循环.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,航空发动机原理,*,第,1.3,节 喷气发动机热力循环,1.3.1,循环的理想化条件,理想化假设条件,假设工质完成的是一个封闭的热力循环,假设压缩和膨胀过程是定熵过程,假设燃烧室为定压加热过程,忽略,q,mf,，假设气体为定质量（前后质量不便）的定比热容的,完全气体,1/29/2026,2,航空发动机原理,1.3.2,布莱顿或定压加热循环,布莱顿或定压加热循环定义,循环组成,-,定熵压缩过程,-,定压加热过程,-,定熵膨胀过程,-,定压放热过程,布莱顿循环,p-v,图,1/29/2026,3,航空发动机原理,布莱顿循环的,p-v,图和,T-s,图,布莱顿循环的,p-v,图过程含义,0,1,线,1,2,线,2,3,线,3,4,线,4,5,线,布莱顿循环,p-v,图,1/29/2026,4,航空发动机原理,2,布莱顿循环的热效率,布莱顿循环的热效率,热效率的定义,其中：,问题：问什么,W,0,=Q,1,-Q,2,1/29/2026,5,航空发动机原理,对于定比热容的完全气体有,:,对于定熵过程,0,2,有,:,对于定熵过程,3,5,有,:,1/29/2026,6,航空发动机原理,引入反映循环特性的参数,-,增压比,进气道的冲压比：,压气机的增压比：,所以,即：,循环的增压比等于进气道的冲压比与压气机的增压比的乘积,1/29/2026,7,航空发动机原理,热效率推导：,所以：燃气涡轮喷气发动机理想循环的热效率取决于发动机的增压比和工质的热容比,1/29/2026,8,航空发动机原理,在 一 定的情况下，取决于空气在压缩过程中压力提高的程度,发动机的增压比 愈大，则热效率 愈高。,图,2,10,热效率随发动机增压比的变化,1/29/2026,9,航空发动机原理,3,理想循环功,W,的推导计算：,1/29/2026,10,航空发动机原理,其中：,故：,理想循环功取决于加热比,和增压比,1/29/2026,11,航空发动机原理,图形分析,增压比一定，加热比愈大，循环功愈大。,最佳增压比 的定义,图,2,11,理想循环功与增压比的关系,1/29/2026,12,航空发动机原理,1/29/2026,13,航空发动机原理,当实际加热比为,5,6,时，,opt,16,30,最大理想循环功为仅取决于加热比,当增压比很大时，在极限情况下，则加热量为零，理想循环功也为零。,1/29/2026,14,航空发动机原理,4,实际循环,发动机实际工作过程,气体的成分发生变化；,热容比,也随着气体成分和温度而发生变化；,存在,流动损失,1/29/2026,15,航空发动机原理,压缩过程,(0-2),：,认为是绝热的多变过程,膨胀过程,(3-5),：,认为是绝热的多变过程,燃烧室中由于,流动损失和加热热阻,存在，加热伴随气流,总压损失,1/29/2026,16,航空发动机原理,指示功,有效功,对涡喷发动机，对外输出功,涡喷发动机,：对外输出的,有效功完全用来增加流过发动机气体的动能；,涡扇发动机,：一部分有效功用来驱动外涵风扇；,涡轮螺桨发动机,：有效功大部分用来驱动螺旋桨，小部分增加气体动能；,涡轮轴发动机,：实际循环的全部有效功绝大部分用来驱动直升机的旋翼。,1/29/2026,17,航空发动机原理,有效功,影响实际循环功的因素：,加热比,、增压比、压缩效率、膨胀效率,等,1/29/2026,18,航空发动机原理,热效率,影响发动机实际循环热效率的因素：,加热比,(,或涡轮前燃气总温,),、增压比、压气机效率、涡轮效率,。,t,1/29/2026,19,航空发动机原理,喷气发动机的推力,1,推力的产生,推力的定义,气体流过发动机时对发动机内外壳体作用力的合力在发动机轴线方向的分力叫推力，用符号表示。,推力是合力,推力的分布,图,2,16,推力的分布,1/29/2026,20,航空发动机原理,2,推力的计算公式,推力计算推导,控制体的选取,动量方程,气体为研究对象,简化条件假设,进气道的流量系数,i,等于,1,，即,发动机外表面的压力均等于外界大气压,气体流经发动机外表面时没有摩擦阻力,1/29/2026,21,航空发动机原理,动量方程（向后方向为正）,对气体的作用力,:,0-0,截面（用,0-0,截面代替,01-01,截面）,5-5,截面,0-5,内壁对气体的作用力为,所以,1/29/2026,22,航空发动机原理,发动机内壁对气体向后的作用力：,设,F,in,气体作用在发动机内壁上的力，则,F,in,与,f,in,大小相等，方向相反，故：,作用在发动机外表面上的轴向力,F,out,，设方向向前，则,1/29/2026,23,航空发动机原理,发动机的推力,F,为：,当发动机喷管处于完全膨胀,p,5,p,0,时,且忽略燃油质量,q,mf,时，则：,地面工作时,V,则,1/29/2026,24,航空发动机原理,喷气发动机的效率,1,实际循环热效率,实际循环热效率的因素：,加热比,增压比,压气机效率和涡轮效率,最经济增压比,eco,定义,图,2-14,热效率 实线,(,实际,),虚线,(,理想,),1/29/2026,25,航空发动机原理,为什么,eco,opt,当,opt,后，随着,的增大，热效率,t,仍缓慢上升,直到,eco,后，随着,的增大，最经济增压比,eco,大于最佳增压比,opt,。,压气机涡轮效率的含义,图,2-15,换算功和热量,随增压比变化,1/29/2026,26,航空发动机原理,热效率考虑了热能转变为机械能的过程中的全部损失,发动机排出的燃气所带走的焓 ，约为,55,75,；,燃油在燃烧室中不完全燃烧的损失,通过发动机壁面向外散失的热量,后两项约为,3,4,。涡轮喷气发动机的热效率约为,25,40,1/29/2026,27,航空发动机原理,2,推进效率,推进效率是发动机完成的,推进功率,与单位时间发动机从热力循环中获得的循环功（,可用能量，这里为气体动能）,的比值,推进功率,FV,Vq,m,(,V,5,V,）,单位时间循环功,推进效率,1/29/2026,28,航空发动机原理,p,分析：,取决于 ，越大，越低,V,5,V,时，,p,1.0,，,F=0,V,时，,p,在飞行中，只要发动机的推力不为零，推进效率总小于,能量分析,1/29/2026,29,航空发动机原理,3,总效率,0,推进功率与单位时间进入燃烧室的燃油完全燃烧所释放出的热量的比值,H,u,是燃油的低热值，即一公斤燃油完全燃烧所释放出的热量（燃烧产物中的水蒸汽是气体状态）,三者之间的关系,0,t,p,1/29/2026,30,航空发动机原理,1/29/2026,31,航空发动机原理,喷气发动机的性能指标,1,推力指标,推力,F,推力是发动机最主要的性能指标,但决不能只以它的大小来衡量发动机的好坏,因为它并不能表明发动机有多大尺寸,有多少重量,也不知道消耗多少燃油才产生这样大的推力,1/29/2026,32,航空发动机原理,单位推力,Fs,定义,单位推力是发动机最重要的性能指标之一,在给定飞行条件,发动机尺寸和重量的情况下,单位推力愈大,则发动机的推力也愈大,1/29/2026,33,航空发动机原理,推重比,F,w,它对飞机的最大平飞速度、升限、爬升速度等性能及有效载重量等都有直接的应响,迎面推力,F,A,发动机的推力与发动机最大迎风面积的比值,1/29/2026,34,航空发动机原理,经济指标,燃油消耗量,q,mf,单位时间进入燃烧室的燃油质量,q,mf,不能完全反映发动机的经济性能差,q,mf,是一个重要的监控参数,因为随着发动机性能的下降及故障的出现,燃油消耗量将增加,故可以根据燃油消耗量和排气温度的变化,判别发动机性能衰退的情况和故障,1/29/2026,35,航空发动机原理,燃油消耗率,sfc,定义：产生单位推力在一小时内所消耗的燃油质量称为燃油消耗率,sfc,与,0,之间的关系,1/29/2026,36,航空发动机原理,在一定的飞行马赫数下,燃油消耗率与发动机的总效率成反比,在一定的飞行马赫数下,燃油消耗率表示了发动机的经济性,影响,sfc,的两个因素单位推力,Fs,、油气比,f,油气比：一公斤气体喷入的燃油量,1/29/2026,37,航空发动机原理,需要掌握的内容,理解布莱顿循环，发动机理想循环的热效率计算公式,能够熟练应用推力计算公式,发动机热效率、推进效率、总效率表达式以及相关概念,燃烧室放出的热能是如何分配的,单位推力以及燃油消耗率表达式以及相关概念,1/29/2026,38,航空发动机原理,