發(fā)動機原理第二章

1、第二章第二章 航空燃氣渦輪發(fā)動機航空燃氣渦輪發(fā)動機 進氣道和尾噴管進氣道和尾噴管 第一節(jié)第一節(jié) 進氣道進氣道 一、功能、分類、設(shè)計要求一、功能、分類、設(shè)計要求 1、功能、功能 v 引入空氣引入空氣 v 高亞音或超音速飛行時減速高亞音或超音速飛行時減速 2、分類：亞音進氣道和超音進氣道、分類：亞音進氣道和超音進氣道 3、基本設(shè)計要求、基本設(shè)計要求 v 損失小（內(nèi)流、外阻）損失小（內(nèi)流、外阻） v 工作穩(wěn)定性好工作穩(wěn)定性好 v 高流通能力高流通能力 v 出口流場盡量均勻出口流場盡量均勻 溫度畸變溫度畸變:吸入熱氣流吸入熱氣流 壓力畸變壓力畸變:來流方向與發(fā)動機軸線夾角來流方向與發(fā)動機軸線夾角 0

2、進氣流場產(chǎn)生畸變的原因進氣流場產(chǎn)生畸變的原因 p飛機以大攻角或大側(cè)滑角飛行，進氣道唇口氣流分離飛機以大攻角或大側(cè)滑角飛行，進氣道唇口氣流分離 p進氣道內(nèi)管路彎曲、擴張、支板繞流形成氣流分離和進氣道內(nèi)管路彎曲、擴張、支板繞流形成氣流分離和 旋渦等旋渦等 p機身和機翼附面層進入進氣道機身和機翼附面層進入進氣道 p超音進氣道中激波和附面層相互干擾引起的氣流分離超音進氣道中激波和附面層相互干擾引起的氣流分離 和流場不均勻和流場不均勻 p進氣道不穩(wěn)定流動下呈現(xiàn)的非定常流動進氣道不穩(wěn)定流動下呈現(xiàn)的非定常流動 p發(fā)射武器或使用反推力裝置使熱的噴氣尾流被吸入進發(fā)射武器或使用反推力裝置使熱的噴氣尾流被吸入進 氣

3、道，直升機在近地面工作時也會因吸入高溫廢氣引氣道，直升機在近地面工作時也會因吸入高溫廢氣引 起總溫畸變起總溫畸變 p編隊飛行吸入其它飛機發(fā)動機排氣流編隊飛行吸入其它飛機發(fā)動機排氣流 p起飛時地面渦影響進氣道的進氣流場起飛時地面渦影響進氣道的進氣流場 壓力和溫度畸變原因壓力和溫度畸變原因 進氣道流場畸變進氣道流場畸變 壓氣機性能及穩(wěn)定性下降壓氣機性能及穩(wěn)定性下降 必須提高風(fēng)扇必須提高風(fēng)扇/壓氣機對抗畸變能力壓氣機對抗畸變能力 進氣道在機身的位置進氣道在機身的位置 亞音飛機亞音飛機 v吊裝機翼下的短艙吊裝機翼下的短艙 v飛機尾部飛機尾部 超音飛機超音飛機 v頭部、機身兩側(cè)、翼頭部、機身兩側(cè)、翼 根

4、、腹部等根、腹部等 v后三種采用較多，起后三種采用較多，起 遮蔽即隱身作用遮蔽即隱身作用 v遮蔽會使進氣不同于遮蔽會使進氣不同于 外界大氣和可能引起外界大氣和可能引起 畸變畸變壓氣機喘振壓氣機喘振 主要特征參數(shù)主要特征參數(shù) 總壓恢復(fù)系數(shù)總壓恢復(fù)系數(shù) i v評價氣流在進氣道內(nèi)部的流評價氣流在進氣道內(nèi)部的流 動損失動損失 流量系數(shù)流量系數(shù) v自由流管面積與進氣道進口自由流管面積與進氣道進口 面積之比面積之比 v評價進氣道的流通能力評價進氣道的流通能力 外阻系數(shù)外阻系數(shù)Cxi v評價進氣道外部阻力評價進氣道外部阻力 2 0 t i t P P 0 1 A A 2 00max 1 2 i xi X C

5、 C A 二、亞音進氣道二、亞音進氣道 1、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)形式 皮托管式（擴皮托管式（擴 張形通道）張形通道） 2、流動模型、流動模型 流量系數(shù)流量系數(shù) 大小決定于：大小決定于： 飛行飛行M數(shù)數(shù) 發(fā)動機工作狀態(tài)發(fā)動機工作狀態(tài) 0 1 Ma1滯止過程中，不可避滯止過程中，不可避 免產(chǎn)生激波損失免產(chǎn)生激波損失 如何利用激波的性質(zhì)設(shè)計超音速進氣道，如何利用激波的性質(zhì)設(shè)計超音速進氣道， 使滯止過程激波損失盡可能?。渴箿惯^程激波損失盡可能??？ 激激 波波 產(chǎn)生：超音速氣流受到壓縮產(chǎn)生的強壓縮波產(chǎn)生：超音速氣流受到壓縮產(chǎn)生的強壓縮波 v內(nèi)凹壁面（內(nèi)凹壁面（a） v楔形物和錐形物楔形物和錐形物(b) v流

6、向高壓區(qū)（流向高壓區(qū)（c） a b c 分類：正激波、斜激波、弓形波分類：正激波、斜激波、弓形波 v 氣體速度方向與激波波面夾角氣體速度方向與激波波面夾角90 v 氣流速度方向與激波波面夾角氣流速度方向與激波波面夾角 90 v 激波波面為弧形激波波面為弧形 激波的性質(zhì)激波的性質(zhì) 氣流受強烈壓縮，分子間摩擦劇烈，經(jīng)激波的流動氣流受強烈壓縮，分子間摩擦劇烈，經(jīng)激波的流動 為為絕能絕能不等熵不等熵流動流動 經(jīng)激波氣流經(jīng)激波氣流總溫總溫不變，但氣流的不變，但氣流的熵增加熵增加、總壓下降總壓下降 強壓縮波：經(jīng)激波后靜參數(shù)突變，強壓縮波：經(jīng)激波后靜參數(shù)突變，靜壓、靜溫和密靜壓、靜溫和密 度突升度突升，且，

7、且波前波前M數(shù)越高，激波越強，參數(shù)變化越數(shù)越高，激波越強，參數(shù)變化越 劇烈劇烈 用經(jīng)過激波的總壓恢復(fù)系數(shù)表示激波損失用經(jīng)過激波的總壓恢復(fù)系數(shù)表示激波損失 * * 1.0 P P 波后 波前 激波的性質(zhì)激波的性質(zhì) 不同類型激波的共性不同類型激波的共性 v 強壓縮波：經(jīng)激波后靜參數(shù)突變，總壓下降強壓縮波：經(jīng)激波后靜參數(shù)突變，總壓下降 v 波前波前Ma1越高，激波越強，參數(shù)變化越劇烈越高，激波越強，參數(shù)變化越劇烈 個性個性 v 經(jīng)正激波，波后經(jīng)正激波，波后Ma21 v 對相同超音速來流，經(jīng)正激波的總壓損失大于斜激波對相同超音速來流，經(jīng)正激波的總壓損失大于斜激波 例如：來流（波前）例如：來流（波前）M

8、a11.5 正激波：正激波： s=0.92 Ma2=0.7 斜激波：斜激波： (楔形物楔形物 10 8, =57 ), s=0.986，Ma2=1.107 v 對于斜激波，對于斜激波， 越大，越大， 越大，激波越強，損失越大越大，激波越強，損失越大 v 經(jīng)正激波，氣流方向不變；經(jīng)斜激波氣流向波面轉(zhuǎn)折經(jīng)正激波，氣流方向不變；經(jīng)斜激波氣流向波面轉(zhuǎn)折 v 相交與反射相交與反射 來流來流Ma1數(shù)數(shù)2.0 激激 波波 波波 系系波后波后M數(shù)數(shù) 正激波正激波0.5770.720.72 一道斜激波一道斜激波 正激波正激波 楔板角楔板角 120 44 1.160.87 0.866 正激波正激波0.8680.9

9、96 二道斜激波二道斜激波 正激波正激波 楔板角楔板角 110 36 1.6170.98 0.926 楔板角楔板角 212 39 1.120.947 正激波正激波0.89650.9982 * * P P 波 后 波 前 三、超音速進氣道三、超音速進氣道 1、氣動設(shè)計原理氣動設(shè)計原理 利用激波的性質(zhì)，設(shè)計為多波系結(jié)構(gòu)，利用激波的性質(zhì)，設(shè)計為多波系結(jié)構(gòu)， 即先利用損失小的斜激波，逐步將高超即先利用損失小的斜激波，逐步將高超 音流滯止為低超音流，音流滯止為低超音流，再利用一道弱的再利用一道弱的 正激波正激波將超音流滯止為亞音流將超音流滯止為亞音流 目的：減小因激波引起的總壓損失目的：減小因激波引起的

10、總壓損失 波系結(jié)構(gòu)：波系結(jié)構(gòu)：若干斜激波若干斜激波 結(jié)尾正激波結(jié)尾正激波 F15 超音速進氣道超音速進氣道 波系結(jié)構(gòu)：波系結(jié)構(gòu)：三道斜激波三道斜激波 結(jié)尾正激波結(jié)尾正激波 2021-6-2719 超音速基本類型超音速基本類型 軸對稱軸對稱 二元（矩形）二元（矩形） 2、超音速進氣道基本類型、超音速進氣道基本類型 軸對稱軸對稱 二元（矩形）二元（矩形） 3、超音速進氣道氣動原理、超音速進氣道氣動原理 Ma1Ma1 通道形狀通道形狀： 收斂收斂擴張擴張 三種類型三種類型 混壓式混壓式 外壓式外壓式 內(nèi)壓式內(nèi)壓式 2 (1) a dAdC M AC 內(nèi)壓式超音進氣道內(nèi)壓式超音進氣道 超音超音亞音：全

11、部在口內(nèi)完成；亞音：全部在口內(nèi)完成； 理想狀況：總壓損失小理想狀況：總壓損失小 因需要喉道面積大小隨來流因需要喉道面積大小隨來流Ma數(shù)變化進行調(diào)數(shù)變化進行調(diào) 節(jié)節(jié)引發(fā)起動問題引發(fā)起動問題，較少實用，較少實用 外壓式超音進氣道外壓式超音進氣道 超音氣流經(jīng)過若干道斜激波后，超音氣流經(jīng)過若干道斜激波后， 氣流速度減小，壓力提高，再氣流速度減小，壓力提高，再 經(jīng)過一道位于進口處的正激波經(jīng)過一道位于進口處的正激波 降為亞音流，在口內(nèi)的擴張通降為亞音流，在口內(nèi)的擴張通 道內(nèi)進一步減速增壓道內(nèi)進一步減速增壓 超音超音亞音：全部在口外完成亞音：全部在口外完成 外阻較大外阻較大 v氣流經(jīng)激波轉(zhuǎn)折，外罩唇口氣流經(jīng)

12、激波轉(zhuǎn)折，外罩唇口 設(shè)計與之相適應(yīng)設(shè)計與之相適應(yīng) v激波匯交于外罩唇口，激發(fā)激波匯交于外罩唇口，激發(fā) 更強的激波更強的激波 混壓式超音進氣道混壓式超音進氣道 超音超音亞音：介乎于亞音：介乎于 前兩者之間前兩者之間 v超聲速來流在進口外超聲速來流在進口外 經(jīng)若干道斜激波減速經(jīng)若干道斜激波減速 成為低超音速氣流成為低超音速氣流 v在進口內(nèi)再經(jīng)過若干在進口內(nèi)再經(jīng)過若干 斜激波和結(jié)尾正激波斜激波和結(jié)尾正激波 滯止為亞音流滯止為亞音流 外罩平直，外阻小外罩平直，外阻小 結(jié)尾正激波可自動調(diào)結(jié)尾正激波可自動調(diào) 節(jié)，工作穩(wěn)定節(jié)，工作穩(wěn)定 起動較容易起動較容易 外壓式進氣道的外罩傾斜外壓式進氣道的外罩傾斜 較大

13、，產(chǎn)生較大的外阻較大，產(chǎn)生較大的外阻 （如飛行（如飛行Ma2.2，三道，三道 斜激波傾斜角斜激波傾斜角24 ） 而同樣飛行而同樣飛行M數(shù)，混壓式數(shù)，混壓式 只需只需8 ，外罩損失較小外罩損失較小 混壓式超音進氣道混壓式超音進氣道 影響超音速進氣道波系變化的因素影響超音速進氣道波系變化的因素 （1）飛行）飛行M數(shù)變化數(shù)變化 在設(shè)計在設(shè)計M0d數(shù)時，斜激波交點數(shù)時，斜激波交點 貼于唇口，當(dāng)飛行貼于唇口，當(dāng)飛行M數(shù)偏離設(shè)數(shù)偏離設(shè) 計值時，斜激波波角發(fā)生變化，計值時，斜激波波角發(fā)生變化， 斜激波交點不再位于唇口斜激波交點不再位于唇口 v當(dāng)飛行當(dāng)飛行M0 M0d的高超音速飛行的高超音速飛行 時，波角減小

14、，激波交點后移進時，波角減小，激波交點后移進 入口內(nèi)，經(jīng)激波入口內(nèi)，經(jīng)激波總壓損失總壓損失加大加大 超聲速溢流超聲速溢流 影響超音速進氣道波系變化的因素影響超音速進氣道波系變化的因素 （2）由進氣道出口反壓）由進氣道出口反壓 變化變化結(jié)尾正激波位置發(fā)結(jié)尾正激波位置發(fā) 生前后移動生前后移動 A)結(jié)尾正激波位于喉道結(jié)尾正激波位于喉道 B)反壓減小，結(jié)尾正激波反壓減小，結(jié)尾正激波 被吸向后移被吸向后移 C)反壓增加，結(jié)尾正激波反壓增加，結(jié)尾正激波 被推出口外被推出口外 （A） （B） （C） 超音速進氣道三種工作狀態(tài)超音速進氣道三種工作狀態(tài) 結(jié)尾正激波的位置決定進氣結(jié)尾正激波的位置決定進氣 道可能存

15、在三種工作狀態(tài)道可能存在三種工作狀態(tài) 臨界狀態(tài)臨界狀態(tài) 結(jié)尾正激波位于喉道結(jié)尾正激波位于喉道 超臨界狀態(tài)超臨界狀態(tài) 結(jié)尾正激波被吸向后移結(jié)尾正激波被吸向后移 v 正激波波前正激波波前M數(shù)增加，強度增大總壓數(shù)增加，強度增大總壓 損失加大損失加大 v 管壁附面層分離出口流場畸變度增加管壁附面層分離出口流場畸變度增加 v 流場不均勻流場不均勻 v 產(chǎn)生高頻率振動癢振產(chǎn)生高頻率振動癢振 亞臨界狀態(tài)亞臨界狀態(tài) 結(jié)尾正激波被推出口外結(jié)尾正激波被推出口外 v 亞聲速溢流產(chǎn)生，外流阻力加大亞聲速溢流產(chǎn)生，外流阻力加大 v 嚴重亞臨界時進氣道發(fā)生喘振嚴重亞臨界時進氣道發(fā)生喘振 4. 超音速進氣道特性超音速進氣道

16、特性 0 1 A A 4、超音速進氣道特性、超音速進氣道特性 5、超音速進氣道的調(diào)節(jié)、超音速進氣道的調(diào)節(jié) 軸對稱軸對稱 v移動中心錐體移動中心錐體 二元二元 v調(diào)節(jié)楔角板角度調(diào)節(jié)楔角板角度 v外罩角度外罩角度 v放氣門：防喘、減小放氣門：防喘、減小 外罩溢流阻力外罩溢流阻力 v輔助進氣門：減小起輔助進氣門：減小起 飛時進氣唇口內(nèi)氣流飛時進氣唇口內(nèi)氣流 分離損失分離損失 第二節(jié)第二節(jié) 尾噴管尾噴管 一、功能及設(shè)計要求一、功能及設(shè)計要求 1、功能、功能 v燃氣膨脹加速，氣流高速排出產(chǎn)生燃氣膨脹加速，氣流高速排出產(chǎn)生 反作用推力反作用推力 v調(diào)節(jié)噴管臨界截面積改變發(fā)動機工調(diào)節(jié)噴管臨界截面積改變發(fā)動機

17、工 作狀態(tài)作狀態(tài) v推力換向推力換向 噴管臨界截面積改變發(fā)動機工作狀態(tài)噴管臨界截面積改變發(fā)動機工作狀態(tài) 反推裝置反推裝置 垂直垂直/短距短距 起降噴管起降噴管 2021-6-2738 垂直垂直/短距短距 起降噴管起降噴管 F119 矢量噴管矢量噴管 EJ200 矢量噴管矢量噴管 F100-PW-229 矢量噴管矢量噴管 MG-29a 蘇蘇-27眼鏡蛇機動動作眼鏡蛇機動動作 蘇蘇-37特技飛行特技飛行 v流動損失小流動損失小 v盡可能完全膨脹盡可能完全膨脹 v排氣方向盡可能沿所希望的方向排氣方向盡可能沿所希望的方向 v根據(jù)需要，調(diào)節(jié)截面積尺寸根據(jù)需要，調(diào)節(jié)截面積尺寸 v噪音低噪音低 2 2、噴管

18、設(shè)計要求、噴管設(shè)計要求 3、分類、分類 純收斂型純收斂型 收斂收斂-擴張型擴張型 塞式塞式 引射引射 推力矢量推力矢量 帶反推帶反推 按流路通道分類：按流路通道分類： 收斂形收斂形 收斂收斂-擴張形擴張形 二、工作原理二、工作原理 1、排氣速度、排氣速度C9 絕能流動絕能流動 進出口總焓相等進出口總焓相等 排氣速度正比于排氣速度正比于 Tt7和和 e s e Pt7/ P0 噴管可用膨脹比噴管可用膨脹比 2 9 799 2 9 9979 9 99 9 1 97 7 0 1 997 2 ()() 2 21() 1 21() 1 21() g g g g tt gtgt gt t k k adgt

19、 t e k k eadegt e C hhh C CpTTCpTT T CCp T T CCp T p p CCCp T 當(dāng)氣流在尾噴管中達到等熵完全膨脹時： 因存在流動損失，引入速度損失系數(shù) 2、純收斂型噴管、純收斂型噴管 收斂噴管按可用膨脹比收斂噴管按可用膨脹比e的大小劃分的大小劃分三種工作狀態(tài)三種工作狀態(tài) o 臨界：臨界： o e e臨界 臨界 ， ，M9=1，p9=p0 o 亞臨界亞臨界: o e e臨界 臨界 ， ，M9 e臨界 臨界 ， ，M9=1，p9p0 o工作狀態(tài)與工作狀態(tài)與A9無關(guān)無關(guān) o出口氣流速度最高只能達到出口氣流速度最高只能達到當(dāng)?shù)匾羲佼?dāng)?shù)匾羲?o當(dāng)處于臨界和超臨

20、界狀態(tài)時當(dāng)處于臨界和超臨界狀態(tài)時出口氣流速度只決定于排氣溫度出口氣流速度只決定于排氣溫度 9 7 0 1 2 79 99 1 7 9 9 1 (1) 2 1 1:()1.85 2 g g g g t e k kg tt k kg t e p p k pp M pp k p M p 臨界 當(dāng)時 7 9 997 2 1 g eadet g k CCR T k 純收斂型噴管純收斂型噴管 當(dāng)噴管處于超臨界狀態(tài)氣流在出口當(dāng)噴管處于超臨界狀態(tài)氣流在出口 不能達到完全膨脹不能達到完全膨脹推力損失，推力損失， 用推力系數(shù)用推力系數(shù)CFG描述描述 CFG 實際推力實際推力/理想完全膨脹推力理想完全膨脹推力 例如

21、：渦噴或混排渦扇發(fā)動機高超音例如：渦噴或混排渦扇發(fā)動機高超音 速飛行時速飛行時 v e可高達可高達2030 1.85 v采用收斂噴管因不能使氣流完采用收斂噴管因不能使氣流完 全膨脹，可導(dǎo)致推力損失全膨脹，可導(dǎo)致推力損失15% 90990 90 () FG ga igia i FW CW CA pp FW CW C F C F 2 (1) a dCdA M CA 收斂擴張噴管氣動設(shè)計原理收斂擴張噴管氣動設(shè)計原理 3 3、收斂、收斂擴張型擴張型 固定的收斂固定的收斂-擴張噴管擴張噴管 可調(diào)的收斂可調(diào)的收斂-擴張噴管擴張噴管 帶中心錐體的噴管帶中心錐體的噴管 引射噴管引射噴管 固定幾何的收斂固定幾何

22、的收斂-擴張噴管擴張噴管 No Image 9 t9 8 999 9 0t9 90 9 t9 A 由流量連續(xù)條件，可導(dǎo)出： =q( )( )= A 只有當(dāng)噴管出口反壓P與噴管總壓P 的比值恰好時 恰好使氣流在噴管出口達到完全膨脹,P P P P P P 都會造成推力都會造成推力 損失損失(見右圖見右圖) 0 9t P P 9 te9 1P 當(dāng) P 時 工作狀態(tài)取決于：工作狀態(tài)取決于： v噴管壓比噴管壓比e v噴管面積比噴管面積比A9/A8 (a)設(shè)計狀態(tài)的流動情況設(shè)計狀態(tài)的流動情況 v e設(shè)計 設(shè)計和和A9/A8相匹配相匹配 v 實現(xiàn)了完全膨脹，實現(xiàn)了完全膨脹，P9= P0， v 按按A9/A

23、8確定確定M9的大小，的大小， M9 M9設(shè)計 設(shè)計1; (b) ee設(shè)計 設(shè)計時的流動情況時的流動情況 v A9/A8沒有改變，所以沒有改變，所以M9= M9設(shè)計 設(shè)計， v 但但P9 P0 ，噴管不完全膨脹，噴管外有，噴管不完全膨脹，噴管外有 膨脹波系膨脹波系 ; (c) ee設(shè)計 設(shè)計時的流動情況時的流動情況 v 同樣的同樣的A9/A8使得使得M9= M9設(shè)計 設(shè)計， v P9 P0 ，噴管過度膨脹，噴管外有壓縮，噴管過度膨脹，噴管外有壓縮 波系波系 (d) ee設(shè)計 設(shè)計，使，使P9 P0 /2時流動情況時流動情況 v 出現(xiàn)有分離的過度膨脹，出現(xiàn)有分離的過度膨脹， v 噴管內(nèi)出現(xiàn)正激波

24、，推力損失嚴重噴管內(nèi)出現(xiàn)正激波，推力損失嚴重 v 不允許噴管進入這種工作狀態(tài)。不允許噴管進入這種工作狀態(tài)。 收擴噴管的不同工作狀態(tài)收擴噴管的不同工作狀態(tài) 三種工作狀態(tài)：完全膨脹、不完全膨脹、過度膨脹三種工作狀態(tài)：完全膨脹、不完全膨脹、過度膨脹 可調(diào)節(jié)的收斂可調(diào)節(jié)的收斂-擴張噴管擴張噴管 為使氣流盡可能在出為使氣流盡可能在出 口處達到完全膨脹口處達到完全膨脹 當(dāng)噴管壓比當(dāng)噴管壓比(Pt9/P0)隨隨 飛行條件和發(fā)動機工飛行條件和發(fā)動機工 作狀態(tài)變化時作狀態(tài)變化時,由馬由馬 達帶動作動筒拉動拉達帶動作動筒拉動拉 桿桿,改變噴管出口截改變噴管出口截 面積與臨界截面積的面積與臨界截面積的 比值比值(A9/A8) A8 A9 0 t9 8 999 9 A 由流量連續(xù)條件，可導(dǎo)出： = ( )=q( A P P ) 帶中心錐體的噴管帶中心錐體的噴管 由中心錐體和外罩組成由中心錐體和