航發(fā)原理第四章

第四章

渦輪噴氣發(fā)動機各部件的共同工作及發(fā)動機的調節(jié)渦輪噴氣發(fā)動機在穩(wěn)定狀態(tài)下各部件的共同工作共同工作的概念

發(fā)動機由五大部件構成，共同工作意味著各部件合在一起協(xié)調工作。在穩(wěn)定狀態(tài)下，有唯一確定的部件性能和總體性能。發(fā)動機最終的性能不僅取決于各部件的特性，同時也取決于它們之間的共同工作。圖中的A、B、C和D點即為穩(wěn)定的共同工作點，將這些點連起來稱為發(fā)動機共同工作線，通常標在壓氣機圖上，由這些點通過計算可以得到其它部件共同工作下的氣動參數。共同工作線的研究意義在實際飛行過程中，發(fā)動機性能受大氣環(huán)境、飛行條件影響，工作狀態(tài)可能隨時發(fā)生變化，為保證發(fā)動機安全工作、性能良好和滿足飛行要求，必須知道發(fā)動機共同工作線的位置，了解各部件工作狀態(tài)，以便更好地控制發(fā)動機。共同工作線通常由試驗獲得，也可以通過理論、經驗計算得到。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)各部件的共同工作條件

發(fā)動機穩(wěn)定工作時必須滿足以下四個條件： 1）流量連續(xù) 2）轉速相等 3）功率平衡 4）壓力平衡壓氣機-渦輪共同工作條件-11、壓氣機-渦輪物理轉速相等：nt=nk 采用相似參數表示方法：（1）壓氣機-渦輪共同工作條件-22、壓氣機-渦輪流量相等 若忽略燃氣和空氣的流量差別，由壓氣機進口和第一級渦輪導向葉片臨界截面的流量連續(xù)可得： 將P3*=P2*sb代入可得：（2）

共同工作特性分析 式中若第一級導向器處于臨界或超臨界狀態(tài)，q(lt)=1.0，則系數A=const。若方程（2）系數 為一常數，則表明壓氣機 壓比pk*和進口流量系數q(l1)之間成線性關系，即一 條通過原點的射線，斜率為 。壓氣機-渦輪共同工作特性分析若保持渦輪喉道面積（At）和壓氣機相似轉速 不變，改變T3*/T1*將改變通過壓氣機的流量。當T3*/T1*增加時，在特性圖上，壓氣機的工作點移向喘振邊界，因此可以說提高T3*對壓氣機起了減小流量的作用，稱T3*為壓氣機的氣動節(jié)氣門或氣動閥門。壓氣機-渦輪共同工作條件-33、壓氣機和渦輪功率平衡 當轉速一定，發(fā)動機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，由壓氣機和渦輪功率平衡：其中，hm為壓氣機-渦輪軸的機械效率。其中，壓氣機單位輸入功和渦輪單位輸出功分別為：式中忽略燃氣和空氣流量的差別，整理可得： （3）4、沿發(fā)動機流程通道壓力平衡

壓氣機進出口總壓：P2*=P1*pk* 燃燒室進出口總壓：P3*=P2*sb （4） 渦輪進出口總壓：P4*=P3*/pt*壓氣機-渦輪共同工作條件-4核心機：壓氣機-燃燒室-渦輪共同工作

二個方程，四個未知數，若給定壓氣機工作點上的二個參數即可求得對應的渦輪工作點。 對于壓氣機-燃燒室-渦輪三個部件組成的發(fā)動機核心機，只要滿足轉速相等、流量連續(xù)、功率平衡和壓力平衡四個共同工作條件，理論上就可以在壓氣機通用特性圖上穩(wěn)定工作范圍內的任何一點工作。核心機與噴管匹配

發(fā)動機部件的共同工作除了壓氣機-燃燒室-渦輪外，還必須包括尾噴管。尾噴管臨界截面是發(fā)動機的后閥門，若忽略冷卻氣體，，由核心機與噴管共同工作的條件可以表示為渦輪第一導向器臨界截面（At）和尾噴管臨界截面（A9）的流量連續(xù)，可得方程為：

代入多變過程關系

整理得：

（5）核心機與噴管匹配特性分析當發(fā)動機幾何不變（A9）、沿程總壓損失不變、且第一渦輪導向器及噴管截面處于臨界或超臨界狀態(tài)時，可得pt*=const，即為核心機-尾噴管共同工作方程，在壓氣機特性圖上為一條曲線，稱為發(fā)動機共同工作線。由于該線的位置同A9有關，有時也稱A9=const線。發(fā)動機工作狀態(tài)的確定當相似轉速 確定時，發(fā)動機工作狀態(tài)唯一確定。從渦輪與噴管共同工作方程（5）可以看出，當加力燃燒室打開時，T9*>T4*，為保證核心機工作狀態(tài)不變即渦輪輸出功率不變，維持pt*=const，所以必須同時增大尾噴管幾何面積A9。渦輪噴氣發(fā)動機穩(wěn)態(tài)共同工作控制方程4.1.3、發(fā)動機各部件共同工作方程的建立 渦輪噴氣發(fā)動機共同工作方程同調節(jié)規(guī)律有關，通常有最大推力和巡航兩種調節(jié)規(guī)律。最大推力調節(jié)有兩種方案：（1）、n=const，T3*=const（最理想，技術上很難實現）（2）、n=const，A9=const（最實際，技術上容易實現）

第一種調節(jié)規(guī)律共同工作方程： 第二種調節(jié)規(guī)律共同工作方程：

4-1、渦輪噴氣發(fā)動機穩(wěn)態(tài)下共同工作線的繪制4.1.4、共同工作線的繪制及應用 共同工作線的繪制一般由兩種曲線繪制方法： （a）利用壓氣機特性和共同工作方程； （b）利用各部件特性。 這里要介紹的是第二種方法，即利用各部件特性（壓氣機特性，渦輪特性，噴管流量），通過給初值逐次迭代的方法，尋找各部件在不同飛行條件及發(fā)動機工作狀態(tài)下的共同工作點。4-1、利用部件特性繪制共同工作線部件特性參數表示的共同工作條件：共同工作第一方程共同工作第二方程共同工作第三方程利用部件特性繪制共同工作線 根據部件特性計算方法如下：根據給定的飛行條件及發(fā)動機工作狀態(tài)（高度H，馬赫數M0，轉速n），計算出壓氣機相似轉速；在壓氣機等轉速線上，任取一點，讀出該點所對應的壓氣機性能參數；預先任意估計一個T3*/T1*值作為初值，由已知的壓氣機相似轉速，根據壓氣機和渦輪轉速相等關系式，計算出渦輪的相似轉速；代入壓氣機和渦輪流量連續(xù)方程中，計算渦輪流量相似參數。根據得到的渦輪轉速和流量相似參數，在渦輪特性圖上查出渦輪的膨脹比及渦輪效率。將步驟（5）得到的渦輪性能參數和步驟（2）得到的壓氣機性能參數，代入壓氣機和渦輪功率平衡方程，求出新的T3*/T1*。 比較步驟（6）和步驟（3）得到的T3*/T1*，若不相等或沒有達到誤差的許可值，說明開始選的點不是壓氣機-燃燒室-渦輪核心機的共同工作點，重復（3）~（6）步，直到滿意為止。

由壓氣機-燃燒室-渦輪組成的核心機共同工作點計算渦輪出口氣流參數；計算噴管出口截面的氣流參數。根據噴管所處的工作狀態(tài)，計算噴管出口允許通過的流量相似參數；將步驟（4）和（5）得到的渦輪特性參數，代入渦輪和尾噴管流量連續(xù)方程，求得為保證渦輪和尾噴管流量連續(xù)而得的流量相似參數；比較步驟（9）和（10）得到的噴管出口流量系數是否相等，如果不等，說明在壓氣機特性圖等轉速線上任意取的點不是給定條件下發(fā)動機各部件的共同工作點。在壓氣機等轉速線上重新取一點，重復計算，直到滿意為止。核心機迭代壓氣機特性線上給初值核心機與噴管共同工作確定發(fā)動機共同工作點發(fā)動機與進氣道匹配進氣道和發(fā)動機的共同工作 流量相等是進氣道和發(fā)動機共同工作的條件。由進氣道前未擾動截面與壓氣機進口截面的流量相等可得： 進氣道與發(fā)動機共同工作特點

由于T0*=T1*，j=A0/Ai，si=P1*/P0*， 上式可寫為： ，式中 此即進氣道和發(fā)動機的共同工作條件表達式，物理上意味著：當飛行馬赫數M0及壓氣機進口馬赫數M1確定時，系數K為常數，進氣道損失系數si與流量系數f成正比關系，進氣道特性圖上代表通過原點的一條射線，斜率由K值確定。進氣道特性圖上的發(fā)動機共同工作線渦輪噴氣發(fā)動機穩(wěn)定工況條件從前面共同工作可知，當發(fā)動機相似轉速 確定時，發(fā)動機的工作點唯一確定，即點A、B、C或D確定，壓氣機進口流量系數q(l1)或馬赫數M1是唯一確定的，因此相似轉速 是確定發(fā)動機工作狀態(tài)的參數之一。進氣道工作狀態(tài)當壓氣機進口流量系數q(l1)確定時，還需給出飛行馬赫數M0才可確定進氣道工作狀態(tài)，而只有當進氣道工作狀態(tài)確定時，包括進氣道在內的整個發(fā)動機工作狀態(tài)唯一確定，所以飛行馬赫數M0是確定發(fā)動機工作狀態(tài)的參數之二；確定發(fā)動機穩(wěn)定工況的條件相似轉速飛行馬赫數M0物理上，要確定發(fā)動機工作狀態(tài)需要知道：飛行馬赫數M0；飛行高度H；發(fā)動機轉速n。4-1、渦輪噴氣發(fā)動機在穩(wěn)定狀態(tài)下各部件的共同工作4.1.6、不同情況下的共同工作線1、噴管臨界截面積A9的大小對共同工作線的影響及其應用給定調節(jié)規(guī)律：相似轉速 ，即工作點沿等轉速線運動。參數分析過程當A9減小時，由渦輪-尾噴管共同工作可知： 得到：渦輪落壓比pt*會下降，導致渦輪輸出功率下降。在原相似轉速上，渦輪帶動不了壓氣機，于是轉速有下降趨勢。噴管臨界面積A9對共同工作線的影響當給定相似轉速不變調節(jié)規(guī)律時，燃油調節(jié)器啟動，增加供油量qmf以維持轉速不變，渦輪進口溫度T3*會上升，壓氣機工作點向喘振邊界方向移動。對于單軸渦噴發(fā)動機，當A9減小時，整個工作線向喘振邊界移動。應用舉例-早期發(fā)動機起動過程通過改變尾噴管臨界面積達到發(fā)動機起動目的4-1、渦輪噴氣發(fā)動機在穩(wěn)定狀態(tài)下各部件的共同工作2、第一級渦輪導向器臨界截面積At的大小對共同工作的影響由流量連續(xù)可得：改變At即改變了系數A的大小，從而改變了壓氣機-渦輪共同工作點。沿等轉速線上

工作點變化特點當渦輪臨界面積At增加時，流量連續(xù)方程中系數A會減小，即射線斜率下降，壓氣機工作點沿等轉速線向流量增加、壓比pk*減小方向移動，即壓氣機工作點朝遠離喘振邊界方向移動。參數分析過程由渦輪-尾噴管流量連續(xù)可得，At增加同時會使渦輪落壓比pt*會下降。T3*會有變化，是增加還是減少其最終位置由核心機中壓氣機-渦輪共同工作下的功率平衡方程決定。4-1、渦輪噴氣發(fā)動機在穩(wěn)定狀態(tài)下各部件的共同工作3、設計壓比的高低和調節(jié)規(guī)律的不同對共同工作線的影響低設計壓比pkd*

當發(fā)動機相似轉速下降時，共同工作線遠離喘振邊界。高設計壓比pkd*

當相似轉速下降時，共同工作線靠近喘振邊界。不同設計壓比下的共同工作線和喘振邊界曲線特點分析發(fā)動機共同工作線的斜率隨設計壓比的增大而減?。粔簹鈾C喘振邊界線的斜率隨設計壓比的增大而增加。

調節(jié)規(guī)律對共同工作線的影響低設計壓比下，調節(jié)規(guī)律n=const，T3*=const的共同工作線位于調節(jié)規(guī)律n=const，A9=const的共同工作線之上；高設計壓比下，情況正好相反。壓氣機非設計點性能對共同工作線的影響

造成這種現象的主要原因在于壓氣機負荷隨相似轉速的變化關系同設計壓比有關。低設計壓比時，壓氣機負荷隨相似轉速減小而減??；高設計壓比時，壓氣機負荷隨相似轉速減小而增加；中等設計壓比，壓氣機負荷幾乎不隨相似轉速變化。

壓氣機中間級放氣對共同工作線的影響

壓氣機放氣對工作狀態(tài)的影響分析當相似轉速下降、壓氣機從設計點沿共同工作線向下移動時，流量減少的速度通常比轉速更快，導致前面級處于正攻角、負荷增加而后面級處于負攻角、負荷減小的工作狀態(tài)；從而引起前面級失速喘振，后面級堵塞的渦輪工作狀態(tài)；壓氣機中間級放氣可以使進口流量增加，消除前面級大的正攻角狀態(tài)；同時由于放氣使后面級的空氣流量減小，脫離大的負攻角移動；氣流攻角改善使喘振邊界向左移動，同時由于進口流量增加，共同工作線向右移動從而擴大了穩(wěn)定工作范圍。由于從放氣口放出的流量同樣受到壓縮，必然消耗壓氣機一定功率，但這部分空氣并沒有進入渦輪作功，致使壓氣機壓縮的空氣量多，而通過渦輪作功的空氣量少。從等轉速線上看，燃燒室必須增加供油量，提高渦輪前溫度T3*以滿足壓氣機-渦輪功率平衡的條件。噴管工作狀態(tài)對共同工作線的影響噴管臨界截面處于臨界或超臨界狀態(tài)時，發(fā)動機的共同工作點在pt*=const或A9=const的共同工作線上移動。當發(fā)動機轉速n或飛行馬赫數M0下降時，導致噴管處于亞臨界狀態(tài)M9<1。此時，共同工作線不再是唯一確定的一條，而與飛行馬赫數M0相關。轉速越小，M0越小，共同工作線越早地朝喘振邊界靠近。低轉速工況多共同工作線原因分析來流馬赫數下降使進氣道沖壓能力減弱，而轉速下降使壓氣機加功增壓能力減小、壓比下降，尾噴管的可用壓力降減小，出現亞臨界工作狀態(tài)是不可避免的；取某等轉速線，飛行馬赫數減小導致渦輪輸出功率減弱，轉速有下降趨勢，若保持轉速不變，則燃燒室供油量需增加，渦輪前溫度T3*上升，工作點向喘點方向移動。航空發(fā)動機調節(jié)功能調節(jié)系統(tǒng)的作用： 當外界條件變化給發(fā)動機帶來干擾或駕駛員根據需要操縱發(fā)動機工作狀態(tài)時，能迅速可靠地使發(fā)動機的工作過程參數按預定的規(guī)律變化。調節(jié)系統(tǒng)設計要求：1）保證發(fā)動機性能良好，能最有利地發(fā)揮發(fā)動機的潛力；2）工作安全可靠，不超轉，不熄火，不超溫，不喘振；3）調節(jié)精度高；4）結構性能好；4-2航空發(fā)動機的控制與調節(jié)航空發(fā)動機最大工作狀態(tài)的調節(jié)最大工作狀態(tài)調節(jié)： 最大工作調節(jié)規(guī)律應該使發(fā)動機在任何飛行狀態(tài)下都能產生最大的推力。限制發(fā)動機推力進一步提高的因素：葉片機械強度限制；渦輪材料耐熱性限制；壓氣機氣動喘振限制。 最大工作狀態(tài)的調節(jié)規(guī)律：在任何飛行狀態(tài)下，發(fā)動機保持n=nmax和渦輪前最高溫度T3*=T3*max理想的最大工作狀態(tài)調節(jié)理想最大推力調節(jié)規(guī)律F=Fmax a）n=nmax 改變主燃燒室供油量qmf； b）T3*=T3*max 改變A9面積。 存在的問題： a）噴管臨界面積A9無級可調技術； b）T3*高溫測量技術。實際的最大工作狀態(tài)調節(jié)實際最大推力調節(jié)規(guī)律F=Fmax a）n=nmax 改變主燃燒室供油量qmf； b）A9=const機械控制。 當飛行狀態(tài)變化時，唯一調節(jié)的參數是供油量qmf，保證轉速不變；但T3*會變化，因此，發(fā)動機工作時必須保證T3*<T3*max。實際最大工作狀態(tài)分析采用調節(jié)規(guī)律：n=const，A9=const。 當渦輪和尾噴管臨界截面處于臨界狀態(tài)時，由渦輪-尾噴管流量連續(xù)可得：pt*=const。由壓氣機-渦輪功率平衡可得；上式表明：當n=const時，渦輪前燃氣溫度T3*隨壓氣機負荷Wk成正比變化；而壓氣機負荷Wk隨飛行狀態(tài)的變化同設計壓比pkd*有關。壓氣機非設計點負荷隨飛行速度的變化關系與設計壓比有關T3*變化規(guī)律與飛行特點低設計壓比(pk*=3-4)

壓氣機負荷Wk隨飛行馬赫數M0的增加而減小，飛的越快渦輪前溫度越低，因此起飛時應有最大T3max*。中等設計壓比(pk*=6-8)

壓氣機負荷Wk幾乎不隨飛行馬赫數M0的變化而改變，T3*≈T3max*。高設計壓比(pk*=8-12)

壓氣機負荷Wk隨飛行馬赫數M0的增加而增加，飛的越快渦輪前溫度越高，因此渦輪前溫度起飛時最低，最大飛行M0max時應有最大T3max*。采用相似轉速為常數的最大推力調節(jié)最大工作狀態(tài)調節(jié)規(guī)律F=Fmax a）相似轉速：ncor=n/√(T1*)=const b）噴管臨界面積：A9=const 特點： 采用這種調節(jié)規(guī)律時，壓氣機的上發(fā)動機共同工作線變?yōu)橐粋€工作點。在所有的飛行狀態(tài)下，發(fā)動機的相似參數和無量綱參數均保持不變，如壓比pk*