微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

1、PAGE 微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中國(guó)民航大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行與控制實(shí)驗(yàn)室目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc373262543 實(shí)驗(yàn)1：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行演示實(shí)驗(yàn)1 HYPERLINK l _Toc373262544 實(shí)驗(yàn)2：發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc373262544 h 5 HYPERLINK l _Toc373262545 實(shí)驗(yàn)3：微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc373262545 h 13 HYPERLINK l _Toc373262546 實(shí)驗(yàn)4：發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)及效率實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc373262546

2、 h 16 HYPERLINK l _Toc373262547 實(shí)驗(yàn)5：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc373262547 h 18 HYPERLINK l _Toc373262548 開(kāi)放選題：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析 PAGEREF _Toc373262548 h 22 實(shí)驗(yàn)1：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行演示實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜M14發(fā)動(dòng)機(jī)軟、硬件設(shè)備；掌握CM14發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)方法；熟悉并掌握應(yīng)用小型渦輪燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備CM14發(fā)動(dòng)機(jī)（含油箱和引燃?xì)怏w）；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；控制計(jì)算機(jī)（已安裝Armfield軟件）；AMT軟件。實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備（提前完成）燃油

3、、滑油混合可選用燃油JP-4、Paraffin或jet A-1，由于渦輪機(jī)需要燃油潤(rùn)滑，因而必須在燃油中混入4.5%的潤(rùn)滑油（Aeroshell 500 turbine oil）。潤(rùn)滑油在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中會(huì)起到潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，當(dāng)激活關(guān)機(jī)按鈕時(shí)，混油潤(rùn)滑劑的燃油會(huì)停止流入發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)殘留的燃油在熱端揮發(fā)，在渦輪機(jī)表面形成潤(rùn)滑油層；下次開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，這些潤(rùn)滑油也會(huì)潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)。不允許在潤(rùn)滑劑的情況下運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，否則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可逆的損害。油箱的容量是5升，滑、燃油混合時(shí)應(yīng)遵循以下順序：用量筒量取250m殼牌500航空渦輪機(jī)潤(rùn)滑油，并倒入混合容器內(nèi)；圖1-1 控制軟件界面（發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖）啟動(dòng)為

4、保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)，必須嚴(yán)格按照以下順序進(jìn)行操作：點(diǎn)擊控制計(jì)算機(jī)軟件界面的電源按鈕（“Power On”）點(diǎn)擊控制計(jì)算機(jī)軟件界面的允許按鈕（“Enable”）點(diǎn)擊控制計(jì)算機(jī)軟件界面的啟動(dòng)按鈕（“Start”）當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕（“Start”）之后，發(fā)動(dòng)機(jī)便開(kāi)始啟動(dòng)，不再需要其他任何操作。按下啟動(dòng)按鈕（“Start”）之后，電子起動(dòng)機(jī)開(kāi)始嘗試啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在此階段，作為引燃?xì)怏w的丙烷氣會(huì)由氣罐流入燃燒室，燃燒室內(nèi)的火花塞會(huì)周期性的點(diǎn)火，當(dāng)流入的丙烷氣足夠多時(shí)，燃油被引燃，使燃燒能夠得以維持，發(fā)動(dòng)機(jī)便會(huì)啟動(dòng)。通過(guò)控制軟件界面可以看到以下啟動(dòng)程序圖線：圖1-2 CM14發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序啟動(dòng)開(kāi)始后，sole

5、noid燃油活門(mén)將打開(kāi)，而solenoid丙烷活門(mén)將被關(guān)閉。大約30秒過(guò)后，啟動(dòng)程序完成，發(fā)動(dòng)機(jī)由燃油燃燒保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)需要人工關(guān)閉丙烷罐閥門(mén)?？刂茩冢ā癈ontrol”）內(nèi)的推力調(diào)節(jié)器（“Throttle”）在0%位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的燃油流量約為0.7L/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在37000RPM。采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的最簡(jiǎn)易方法是使用手動(dòng)采集按鈕，它在控制軟件界面的主菜單欄，綠色的“GO”圖標(biāo)。每次點(diǎn)擊這個(gè)圖標(biāo)時(shí)，都會(huì)有一次采樣響應(yīng)，并將該數(shù)據(jù)加到電子數(shù)據(jù)表內(nèi)，通過(guò)選擇下圖所示的圖標(biāo)可以得到電子數(shù)據(jù)表。圖1-3 數(shù)據(jù)采集按鈕和電子數(shù)據(jù)表按鈕Armfield控制軟件具備自動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能，選擇菜單

6、欄“Sample”條目下拉菜單中的“Sample Now”可以進(jìn)入數(shù)據(jù)自動(dòng)采集配置對(duì)話框。圖1-4 自動(dòng)采樣菜單及配置對(duì)話框在采樣配置對(duì)話框中，首先必須單擊“Sampling Operation”面版中的“Automatic”單選按鈕。同時(shí)，在這個(gè)面板內(nèi)，可以設(shè)置采樣間隔（“Sample Interval”）和采樣持續(xù)時(shí)間（“Duration of Sample”）兩個(gè)自動(dòng)采樣參數(shù)（“Automatic Sample Parameters”）。例如，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為1秒，而采樣持續(xù)時(shí)間設(shè)定為15秒，則表示發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中軟件會(huì)采集15組數(shù)據(jù)。當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊采樣配置對(duì)話框上的“O

7、K”按鈕會(huì)激活采樣設(shè)置，同時(shí)需要在控制軟件界面選定按鈕“GO”（綠色），采樣就會(huì)開(kāi)始進(jìn)行了。這15組數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)加入到電子數(shù)據(jù)表當(dāng)中?？梢蚤喿x在線手冊(cè)獲取Armfield控制軟件的更多相關(guān)信息。非常重要的一點(diǎn)是合理控制數(shù)據(jù)采集的持續(xù)時(shí)間，即必須在油箱內(nèi)燃油耗盡之前完成采樣，所以有必要時(shí)刻關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)已運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行平均耗油率約為0.81L/min，所以當(dāng)5L油箱注滿前提下允許開(kāi)機(jī)時(shí)間為57分鐘。停機(jī)完成數(shù)據(jù)采集之后必須關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。在Armfield控制軟件界面的控制（“Control”，圖1-1）功能區(qū)內(nèi)有“Power On”和“Start”兩個(gè)按鈕。注意：除非出現(xiàn)緊急情況，不能通

8、過(guò)點(diǎn)擊“Power On”進(jìn)行關(guān)機(jī)，必須通過(guò)“Start”實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)操作。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中點(diǎn)擊“Start”按鈕即觸發(fā)關(guān)機(jī)程序。關(guān)機(jī)程序在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（Engine Control Unit）的監(jiān)控下進(jìn)行，可以逐步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施有效冷卻以避免參與熱應(yīng)力。關(guān)機(jī)程序激活后，發(fā)動(dòng)機(jī)在控制單元的操控下在極短的時(shí)間內(nèi)全速運(yùn)轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上），這樣做的目的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部及軸承中隨燃油的流動(dòng)而留有足夠的潤(rùn)滑劑，并在下次的啟動(dòng)程序中，在僅丙烷氣噴入而無(wú)燃油流入的階段被再次用作發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑。全速運(yùn)行過(guò)后發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)突然停車(chē)并關(guān)機(jī)，此時(shí)電子起動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的控制下還會(huì)周期性的活動(dòng)，其目

9、的是從環(huán)境中引入冷空氣進(jìn)行冷卻，直到噴管溫度降至88以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 通過(guò)軟件界面的“Table”工具獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論 由于所需發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的不同，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要被重復(fù)多次?？梢酝ㄟ^(guò)Armfield軟件界面的控制（“Control”，圖1-1）功能區(qū)的推力調(diào)節(jié)器（“Throttle”）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)（0%100%）。實(shí)驗(yàn)2：發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膽?yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)動(dòng)量方程推算小型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)推力，并與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)方法動(dòng)量方程基本應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)組件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，安裝Armfield軟件的PC控制端?？蛇x設(shè)備AMT軟件。實(shí)驗(yàn)原理渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量裝置和進(jìn)、排氣條件如

10、圖2-1所示。圖3-1 推力測(cè)量和進(jìn)、排氣條件 （3-1）由式（3-1）可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)時(shí)推力的產(chǎn)生由四項(xiàng)組成：前兩項(xiàng)是流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣或燃?xì)鈩?dòng)量變化量，后兩項(xiàng)是排氣段、進(jìn)氣段的內(nèi)外壓差，pext為外界環(huán)境壓力。在許多情況下，后兩項(xiàng)對(duì)推力的貢獻(xiàn)較前兩項(xiàng)要小很多，動(dòng)量方程可以化簡(jiǎn)為： （3-2）當(dāng)飛行器以速度uin速度（稱為設(shè)計(jì)速度）飛行時(shí)，則認(rèn)為上式應(yīng)用的條件是滿足的，該速度也是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的吸氣速度。設(shè)計(jì)速度uin是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，該值受到諸多因素的影響。此外，設(shè)計(jì)速度的實(shí)際數(shù)值也會(huì)因所考慮的具體情況不同而發(fā)生變化。一般情況下，噴管出口端氣流壓力與外界壓力平衡時(shí)的氣流速度值u

11、in當(dāng)作是設(shè)計(jì)速度，即認(rèn)為此時(shí)外界壓力所對(duì)應(yīng)的高度為飛行器設(shè)計(jì)飛行高度。此外，多數(shù)情況下下式是滿足的：uoutuin （3-3）可以對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)一步做如下簡(jiǎn)化： （3-4）通常情況下，空氣流量較燃油流量大很多，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為下式： （3-5）由式（3-5）可見(jiàn)，要估算發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力需要測(cè)定通流空氣流量（進(jìn)氣量）和發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管出口的氣流速度。發(fā)動(dòng)機(jī)通流空氣流量可由前方的進(jìn)氣涵道（Frontal duct）經(jīng)Armfield software數(shù)據(jù)采集得到，而噴管出口排氣速度則有多種獲得方法。可以在噴管出口處安置皮托管直接測(cè)量噴氣速度；也可以利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)有測(cè)量參數(shù)做適當(dāng)近似處理后，通過(guò)氣體動(dòng)力學(xué)

12、基本公式推導(dǎo)出排氣速度uout。下面將采用理論推導(dǎo)的方法估算發(fā)動(dòng)機(jī)推力范圍。對(duì)于可壓縮氣體，有以下聲速公式： （3-6）在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度（Ta=298K）環(huán)境下，聲速大約為a=346m/s，這意味著進(jìn)口氣流速度遠(yuǎn)低于聲速，因而能夠采用下式估算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流速度： （3-7）考慮到進(jìn)口幾何特征造成的vena contracta效應(yīng)，（3-7）式有如下形式： （3-8）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以最小轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口段測(cè)量到的平均空氣流量大約為0.24Kg/s，若空氣密度取1.2Kg/m3，可以估算出進(jìn)口處最小空氣流速：Min uin=41m/s當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口段測(cè)量到的平均空氣流量大約為0.86K

13、g/s，相同地，可以估算出進(jìn)口處最大空氣流速：Max uin=145m/s壓氣機(jī)和渦輪的存在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣流速度軸向分量影響很小，而聲速正比于溫度的平方根，因此可以將所有實(shí)驗(yàn)工況下流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流當(dāng)作亞音速看待。另外，地面試車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前、后壓力相等（均為大氣壓）：pin=pext因此，動(dòng)量方程（3-1）式的最后一項(xiàng)可以忽略，簡(jiǎn)化為如下形式： （3-9）上式ue即為uout，噴管出口處氣流速度。為計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力必須確定噴管出口截面氣流速度ue，噴管出口截面氣流壓力pe，以及出口截面積Ae（直接測(cè)量）。此外，燃油流量（對(duì)應(yīng)部分燃?xì)猓?duì)推力的產(chǎn)生與空氣貢獻(xiàn)推力部分相比，份值較低，完全可以忽略不計(jì)，（

14、3-9）式可進(jìn)一步寫(xiě)成： （3-10）應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)基本原理推導(dǎo)ue和pe時(shí)，要將實(shí)際噴管流動(dòng)過(guò)程當(dāng)作理想等熵過(guò)程處理，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量所得T4和P5即分別為噴管進(jìn)口總溫和總壓，根據(jù)噴管定熵絕能流動(dòng)原理，可得如下關(guān)系： （3-11）最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速下的噴管進(jìn)口馬赫數(shù)M4可基于該測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量值分別得到。發(fā)動(dòng)機(jī)氣流溫度經(jīng)過(guò)燃燒室后會(huì)升高，最小轉(zhuǎn)速時(shí)，在渦輪出口（噴管進(jìn)口）測(cè)得氣流溫度為564，最大轉(zhuǎn)速時(shí)該溫度則為840. （3-12） （3-13）可見(jiàn)，噴管進(jìn)口馬赫數(shù)很低，可以認(rèn)為t4T4，teT5，可以作以下近似： （3-14）應(yīng)用式（3-14）能夠計(jì)算以下數(shù)值：結(jié)合兩種情形下噴管出口截面的溫度測(cè)

15、量值可以計(jì)算排氣速度： （3-15）根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)基本原理，由馬赫數(shù)和總壓能夠估算最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的排氣靜壓值： （3-16）進(jìn)而可以確定兩種情形下的發(fā)動(dòng)機(jī)推力：通過(guò)軟件界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)推力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。圖3-2 轉(zhuǎn)速推力關(guān)系輸出選擇按鈕圖3-3 轉(zhuǎn)速推力關(guān)系輸出選擇按鈕新窗口默認(rèn)輸出測(cè)量推力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。此外，還可以對(duì)坐標(biāo)軸配置不同的其他變量，這可以通過(guò)選擇菜單欄中的格式項(xiàng)（Format）以及次級(jí)圖標(biāo)數(shù)據(jù)（sub item Graph Data）實(shí)現(xiàn)，如圖3-4所示。圖3-4 轉(zhuǎn)速推力關(guān)系輸出選擇按鈕 在這個(gè)窗口中，選擇“CALCULATED THRUST”為Y軸變量，進(jìn)而

16、可以對(duì)各轉(zhuǎn)速下的計(jì)算推力、測(cè)量推力進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由高速氣體等熵流動(dòng)基本原理出發(fā)計(jì)算所得發(fā)動(dòng)機(jī)推力（計(jì)算推力Tc）與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行測(cè)量推力（T）吻合得很好。但盡管較為吻合，計(jì)算推力比實(shí)際推力還是要高于測(cè)量推力值，這是由實(shí)際過(guò)程并不滿足理想過(guò)程的一系列假設(shè)所導(dǎo)致。例如，理論公式未考慮摩擦效應(yīng)、邊界層效應(yīng)和方程中涉及變量在流動(dòng)中的均勻性損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)論本實(shí)驗(yàn)證明，根據(jù)等熵流動(dòng)、一維氣動(dòng)方程對(duì)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際熱力過(guò)程和流動(dòng)原理進(jìn)行研究分析是可行的。而且，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原理相關(guān)理論合理簡(jiǎn)化后，可以結(jié)合不同工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更為深入、復(fù)雜的研究。附：推力計(jì)算實(shí)例基于CM14小型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論計(jì)算

17、多個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)推力。試車(chē)時(shí)間：2011.11.30環(huán)境條件：溫度4，氣壓103.76kPa實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：2011113002.xls為滿足某轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)推力測(cè)量和計(jì)算的要求，需要在試車(chē)過(guò)程中在該轉(zhuǎn)速下停留足夠的時(shí)間，可以通過(guò)“View data history”功能進(jìn)行觀測(cè)；篩選實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速、空氣流量、燃油流量等性能參數(shù)和溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)判斷是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)。一般而言，當(dāng)上述參數(shù)均基本穩(wěn)定不變時(shí)，則該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用作理論推力計(jì)算。經(jīng)過(guò)初步數(shù)據(jù)處理和篩選，認(rèn)為加速過(guò)程30%轉(zhuǎn)速、63%轉(zhuǎn)速、78%轉(zhuǎn)速、100%轉(zhuǎn)速，以及減速過(guò)程86%轉(zhuǎn)速位置滿足發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。減速過(guò)程86%

18、轉(zhuǎn)速下，第540561秒采集參數(shù)均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)要求，選用第561秒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。已知：進(jìn)氣道進(jìn)口直徑din=0.1m，噴管出口直徑de=0.07m，噴管背壓（環(huán)境壓力）p0=103.76kPa，進(jìn)口氣流密度=1.2kg/m3，空氣流量ma=0.99kg/s，噴管進(jìn)口（渦輪后）靜溫t4=688，噴管進(jìn)口（渦輪后）總壓p4*=56.48kPa（表壓），噴管出口靜溫t5=551，氣體常數(shù)R=287J/(kg.K)，=1.33理論推力計(jì)算步驟如下：（1）進(jìn)口氣流速度uin結(jié)合測(cè)量空氣流量和進(jìn)氣道幾何參數(shù)計(jì)算進(jìn)口進(jìn)口氣流速度uin，應(yīng)用式3-7、3-8：（2）出口氣流馬赫數(shù)Me結(jié)合噴管進(jìn)口氣流靜溫t4、出

19、口氣流靜溫t5，并考慮實(shí)際氣體的壓縮效應(yīng)和流動(dòng)過(guò)程的散熱及摩擦效應(yīng)，應(yīng)用式2-14：（3）出口氣流速度uout 由出口氣流馬赫數(shù)Me和靜溫t5，應(yīng)用式3-15：（4）出口氣流壓力pe 由出口氣流總壓p4*、出口氣流馬赫數(shù)Me，應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)基本關(guān)系式2-16：（5）噴管出口截面積Ae已知噴管出口直徑de=0.07m：（6）發(fā)動(dòng)機(jī)理論推力Tc應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算公式：Armfield輸出計(jì)算推力291N，測(cè)量推力209N。同時(shí)可以對(duì)30%、63%、78%、100%轉(zhuǎn)速位置進(jìn)行計(jì)算，得下表所示：轉(zhuǎn)速位置/%數(shù)據(jù)明細(xì)計(jì)算推力軟件計(jì)算推力/N測(cè)量推力/N30（458s）ma=0.72kg/s;t4=424p

20、4*=22.73kPa; t5=322111.71299063（486s）ma=0.94kg/s;t4=559p4*=47.50kPa; t5=423235.224316278（498s）ma=0.99kg/s;t4=640p4*=55.55kPa; t5=483283.5292205100（524s）ma=1.00kg/s;t4=767p4*=63.05kPa; t5=618328.0327228上圖可見(jiàn)，在計(jì)算推力、輸出推力均與測(cè)量推力存在較大誤差，分析認(rèn)為誤差原因如下：（1）理論公式未考慮摩擦效應(yīng)、邊界層效應(yīng)和方程中涉及變量在流動(dòng)中的均勻性損失等，故計(jì)算值高于測(cè)量值；（2）實(shí)驗(yàn)裝置未嚴(yán)格

21、滿足“水平放置”的要求，這是實(shí)驗(yàn)誤差大的主要原因，并且可以盡量避免。此外，在低推力水平下，計(jì)算推力與輸出推力吻合性不佳，隨著轉(zhuǎn)速的提高，兩者差異逐漸減小。而選取的86%計(jì)算點(diǎn)處于發(fā)動(dòng)機(jī)減速運(yùn)轉(zhuǎn)階段，該轉(zhuǎn)速下的推力值與加速階段推力升高趨勢(shì)也有明顯不符。實(shí)驗(yàn)3：微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)“微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”包含兩個(gè)子項(xiàng)目，即“微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡狀態(tài)性能實(shí)驗(yàn)”和“微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗特性實(shí)驗(yàn)”，分別對(duì)應(yīng)課程中“過(guò)渡態(tài)控制”和“發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)”兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。（1）微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡狀態(tài)性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，探究發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的

22、瞬態(tài)工作過(guò)程中轉(zhuǎn)速、推力（實(shí)測(cè)值和計(jì)算值）、空氣流量等性能參數(shù)隨時(shí)間變化特性，探究發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律。實(shí)驗(yàn)步驟首先保證渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在某一狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，然后觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換至新的工作狀態(tài)并達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)各站位溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)，以及推力、轉(zhuǎn)速、燃油消耗率、空氣流量等工作性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，利用狀態(tài)參數(shù)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀況，區(qū)分穩(wěn)定工作狀態(tài)和非穩(wěn)定（過(guò)渡）工作狀態(tài)，再根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻性能參數(shù)變化規(guī)律對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡特性做出評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性、實(shí)時(shí)測(cè)量推力、實(shí)時(shí)計(jì)算推力以及空氣通流特性等，利用相似參數(shù)繪制發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性線和加速、減速等非

23、穩(wěn)態(tài)特性線，反映該發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制規(guī)律。（2）微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)機(jī)、調(diào)速控制及停機(jī)一系列啟動(dòng)循環(huán)中的燃油消耗量，分析燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變化規(guī)律，其目的是在單次啟動(dòng)循環(huán)中合理控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，優(yōu)化開(kāi)機(jī)運(yùn)行流程。實(shí)驗(yàn)步驟啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行逐級(jí)調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)動(dòng)機(jī)加速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)回至慢車(chē)狀態(tài)、關(guān)機(jī)停車(chē)，在每一轉(zhuǎn)速級(jí)別下要保證足夠的停留時(shí)間以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油消耗率，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制燃油消耗率轉(zhuǎn)速特性圖，擬合燃油消耗率轉(zhuǎn)速函數(shù)關(guān)系式，定量確定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗特性和完整啟動(dòng)循環(huán)燃油消耗總量。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可據(jù)此合理控制發(fā)

24、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，優(yōu)化開(kāi)機(jī)運(yùn)行規(guī)律，保證燃油箱灌充燃油充分利用，并有一定量燃（滑）油剩余，滿足停機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)的有效冷卻和潤(rùn)滑需求。例如，可以參考以下順序運(yùn)行：氣、電、油接好并檢查；通電，開(kāi)機(jī)；打開(kāi)控制計(jì)算機(jī)，界面右下方顯示OK，表明控制端連接正確。可以配置采集方式，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始前打開(kāi)數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)；注意數(shù)據(jù)采集方法；根據(jù)大氣情況，填入初始數(shù)值，其他數(shù)據(jù)歸零；不通氣時(shí)，依次點(diǎn)擊Power、Enable、Start，聲音分別為長(zhǎng)鳴、短鳴、短鳴，表明控制信號(hào)有效；通丙烷氣，依次點(diǎn)擊Power、Enable、Start，正常情況下能夠點(diǎn)火成功；發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定后，關(guān)閉丙烷氣閥；調(diào)整轉(zhuǎn)速，建議調(diào)節(jié)規(guī)律如下（做“控

25、制實(shí)驗(yàn)”時(shí)可以調(diào)整）：起始0%轉(zhuǎn)速，待界面顯示物理轉(zhuǎn)速為3700附近，并穩(wěn)定，此時(shí)才可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；進(jìn)一步檢查丙烷氣閥門(mén)是否已關(guān)閉。10%轉(zhuǎn)速，20秒30%轉(zhuǎn)速，20秒50%轉(zhuǎn)速，20秒6080%轉(zhuǎn)速，10秒90%轉(zhuǎn)速，20秒100%轉(zhuǎn)速，30秒90%轉(zhuǎn)速，20秒50%轉(zhuǎn)速，20秒10%轉(zhuǎn)速，20秒0%轉(zhuǎn)速，待界面顯示物理轉(zhuǎn)速為3700附近，并穩(wěn)定，此時(shí)可點(diǎn)擊Start，進(jìn)行停機(jī)操作保存本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。斷氣、斷電，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。注意：步驟（8）中的控制時(shí)間可以改變，但是需要精確計(jì)時(shí)，總時(shí)間應(yīng)控制在6分鐘以內(nèi)。根據(jù)上述控制規(guī)律進(jìn)行試車(chē)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以得到以下關(guān)系： 控制轉(zhuǎn)速 物理轉(zhuǎn)速 燃油消耗率 燃油

26、消耗特性和擬合曲線實(shí)驗(yàn)4：發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)及效率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑u(píng)估渦噴式發(fā)動(dòng)機(jī)中氣流所經(jīng)歷的熱力循環(huán)，并在比焓-比熵圖上表示。實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用工程熱力學(xué)基本方程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)組件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，安裝Armfield軟件的PC控制端。可選設(shè)備AMT軟件。實(shí)驗(yàn)原理渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)理想熱力循環(huán)如圖4-1所示。圖4-1 渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)理想熱力循環(huán)對(duì)于理想氣體，比焓與溫度之間的關(guān)系式有很多，其中最簡(jiǎn)單的形式如下： （4-1）上式中，對(duì)理想氣體采取定比熱容處理，即不考慮比熱容隨時(shí)間的變化，腳標(biāo)“0”表示選定的參考狀態(tài)，在這種情況下，氣體的比焓與溫度成正比。因此，如果氣流經(jīng)歷理想熱力過(guò)程時(shí)（沒(méi)有不可逆損失），可以較

27、為方便的利用溫度-比熵圖代替比焓-比熵圖。熱力學(xué)給出了多個(gè)比熵值計(jì)算公式，如以下計(jì)算方法： （4-2） 由上式可見(jiàn)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的溫度和壓力測(cè)量設(shè)備即可得出各個(gè)站位的熵值，進(jìn)而得出比焓-比熵圖（或溫熵圖）。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前，也可以通過(guò)控制軟件Armfield直接選取，由軟件在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算并輸出比焓-比熵圖（或溫熵圖）。為通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得較為合理、有說(shuō)服力的圖形，要求發(fā)動(dòng)機(jī)需要在某常轉(zhuǎn)速下運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，可以獲得不同轉(zhuǎn)速下的不同焓熵圖（或溫熵圖），分別對(duì)應(yīng)各自轉(zhuǎn)速下的熱力循環(huán)。注意：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到所設(shè)定的轉(zhuǎn)速后（認(rèn)為需要研究該轉(zhuǎn)速下的熱力循環(huán)），必須保證該轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)氣流已處于

28、穩(wěn)定狀態(tài)，即氣動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化。為確保這一點(diǎn)，可以應(yīng)用Armfiled軟件界面上的“View data history”功能，如圖4-2所示。彈出的新窗口會(huì)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)中所有的測(cè)量參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)不再發(fā)生變化時(shí)，則可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)及其內(nèi)部流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖4-2 Armfield界面查看是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，可以采集溫度、壓力等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)而計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各站位的焓、熵值，計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)繪制比焓-比熵圖。點(diǎn)擊Armfield控制界面工具欄上的綠色“GO”按鈕即開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一般而言采集1030組數(shù)據(jù)即可。單擊Armfield控制界面的“View Graph”圖標(biāo)可以顯示比焓-比熵圖，此外，當(dāng)把溫

29、度（“TEMPERATURE”）設(shè)為Y軸第二變量時(shí)，可以同時(shí)顯示比焓-比熵圖和溫度-比熵圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用熱氣動(dòng)力學(xué)基本方程將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)焓熵圖是可行的。實(shí)驗(yàn)總結(jié)可以利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供的溫度、壓力等測(cè)量參數(shù)定量分析氣流流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管的全部熱力過(guò)程。熱力分析的前提條件是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，以確保氣體定常流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件?？梢詫?duì)不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的熱力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)5：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠?jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各部件效率和回功比（Back Work Ratio）。實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于一個(gè)熱力過(guò)程，可以采用實(shí)際過(guò)程的焓降與理想等熵過(guò)程的

30、焓降比值定義等熵效率。例如，在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件內(nèi)，空氣由狀態(tài)1壓縮到狀態(tài)2：圖5-1 壓氣機(jī)的理想壓縮和實(shí)際壓縮過(guò)程壓氣機(jī)中的等熵效率可以按下式給出： （5-1）為獲得h2s（理想等熵壓縮后P2壓力下的焓值），需要用到以下公式： （5-2）上式中，下表“0”表示參考狀態(tài)，通常選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將式（5-2）應(yīng)用于壓縮起始狀態(tài)1和終了狀態(tài)2: （5-3）對(duì)于定熵過(guò)程s1=s2，可以確定等熵壓縮終溫T2s： （5-4）進(jìn)而應(yīng)用下式確定等熵壓縮后的理想焓值： （5-5） （5-6） （5-7）在渦輪內(nèi)燃?xì)鉄崃^(guò)程與壓氣機(jī)內(nèi)完全相反，效率計(jì)算方法與（5-1）式也有所不同：圖5-2 渦輪的理想膨脹和

31、實(shí)際膨脹過(guò)程渦輪等熵效率定義如下： （5-8） 把壓氣機(jī)耗功量與渦輪膨脹功量之比定義為回功比（Back Work Ratio）： （5-9）噴管等熵效率定義為： （5-9）式中，h5s為渦輪后氣流參數(shù)經(jīng)過(guò)噴管等熵膨脹到大氣環(huán)境狀態(tài)下的理想焓值，即： （5-10）噴管等熵效率一般情況下很高，認(rèn)為實(shí)際過(guò)程的等熵效率達(dá)到100%，與理想過(guò)程非常接近。滿足此假設(shè)時(shí)，可以在噴管內(nèi)應(yīng)用下式： （5-11）（5-11）式表明，對(duì)于理想噴管，出口壓力pe僅取決于出口馬赫數(shù)Me，并由此可見(jiàn)，測(cè)量推力與計(jì)算推力的差別主要取決于理想動(dòng)力推力和實(shí)際動(dòng)力推力之間的差異（理想噴氣速度和實(shí)際排氣速度）。這意味著噴管出口真實(shí)氣流速度比理論計(jì)算速度稍小?？紤]上述因素，可以應(yīng)用下式定義噴管效率： （5-12） （5-13）式中，ue,s是由計(jì)算推力值Tc計(jì)算得到的噴管出口氣流速度，ue,real則是由測(cè)量推力值T計(jì)算得到的噴管出口氣流速度。與上個(gè)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)三 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)焓-熵圖繪制）要求相同，只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行且內(nèi)部氣流處于定常流動(dòng)狀態(tài)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)才可用于發(fā)動(dòng)機(jī)效率的計(jì)算。圖5-3給出了以上所討論的各個(gè)效率和對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。圖5-3 發(fā)動(dòng)機(jī)各部件效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)有測(cè)量參數(shù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率。針對(duì)不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)均可進(jìn)