噴氣發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)課件

噴氣發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)

9/30/20231航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)8/5/20231航空發(fā)動機(jī)原理1循環(huán)的理想化條件理想化假設(shè)條件假設(shè)工質(zhì)完成的是一個封閉的熱力循環(huán)假設(shè)壓縮和膨脹過程是定熵過程假設(shè)燃燒室為定壓加熱過程忽略qmf，假設(shè)氣體為定質(zhì)量（前后質(zhì)量不便）的定比熱容的完全氣體

9/30/20232航空發(fā)動機(jī)原理1循環(huán)的理想化條件理想化假設(shè)條件8/5/20232航空發(fā)動2布萊頓或定壓加熱循環(huán)布萊頓或定壓加熱循環(huán)定義循環(huán)組成０-２定熵壓縮過程２-３定壓加熱過程３-５定熵膨脹過程５-０定壓放熱過程布萊頓循環(huán)p-v圖9/30/20233航空發(fā)動機(jī)原理2布萊頓或定壓加熱循環(huán)布萊頓或定壓加熱循環(huán)定義布萊頓循環(huán)⒈布萊頓循環(huán)的p-v圖和T-s圖布萊頓循環(huán)的p-v圖過程含義0－1線1－2線2－3線3－4線4－5線布萊頓循環(huán)p-v圖9/30/20234航空發(fā)動機(jī)原理⒈布萊頓循環(huán)的p-v圖和T-s圖布萊頓循環(huán)的p-v圖過程含2布萊頓循環(huán)的熱效率布萊頓循環(huán)的熱效率熱效率的定義其中： 問題：問什么W0=Q1-Q29/30/20235航空發(fā)動機(jī)原理2布萊頓循環(huán)的熱效率布萊頓循環(huán)的熱效率其中： 問題：問什對于定比熱容的完全氣體有:

對于定熵過程0－2有:

對于定熵過程3－5有:

9/30/20236航空發(fā)動機(jī)原理對于定比熱容的完全氣體有:

8/5/20236航空發(fā)動機(jī)原理引入反映循環(huán)特性的參數(shù)--增壓比進(jìn)氣道的沖壓比：壓氣機(jī)的增壓比：所以即：循環(huán)的增壓比等于進(jìn)氣道的沖壓比與壓氣機(jī)的增壓比的乘積

9/30/20237航空發(fā)動機(jī)原理引入反映循環(huán)特性的參數(shù)--增壓比8/5/20237航空發(fā)動機(jī)熱效率推導(dǎo)：所以：燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動機(jī)理想循環(huán)的熱效率取決于發(fā)動機(jī)的增壓比和工質(zhì)的熱容比9/30/20238航空發(fā)動機(jī)原理熱效率推導(dǎo)：8/5/20238航空發(fā)動機(jī)原理在一定的情況下，取決于空氣在壓縮過程中壓力提高的程度發(fā)動機(jī)的增壓比愈大，則熱效率愈高。圖2－10熱效率隨發(fā)動機(jī)增壓比的變化

9/30/20239航空發(fā)動機(jī)原理在一定的情況下，取決于空氣在壓縮過程中壓力3理想循環(huán)功W的推導(dǎo)計算：

9/30/202310航空發(fā)動機(jī)原理3理想循環(huán)功W的推導(dǎo)計算：8/5/202310航空發(fā)動機(jī)其中：故：理想循環(huán)功取決于加熱比Δ和增壓比π 9/30/202311航空發(fā)動機(jī)原理8/5/202311航空發(fā)動機(jī)原理圖形分析增壓比一定，加熱比愈大，循環(huán)功愈大。最佳增壓比的定義

圖2－11理想循環(huán)功與增壓比的關(guān)系

9/30/202312航空發(fā)動機(jī)原理圖形分析圖2－118/5/202312航空發(fā)動機(jī)原理9/30/202313航空發(fā)動機(jī)原理8/5/202313航空發(fā)動機(jī)原理當(dāng)實際加熱比為5－6時，πopt≈16－30最大理想循環(huán)功為僅取決于加熱比當(dāng)增壓比很大時，在極限情況下，則加熱量為零，理想循環(huán)功也為零。9/30/202314航空發(fā)動機(jī)原理當(dāng)實際加熱比為5－6時，πopt≈16－308/5/2024實際循環(huán)發(fā)動機(jī)實際工作過程氣體的成分發(fā)生變化；熱容比也隨著氣體成分和溫度而發(fā)生變化；存在流動損失

9/30/202315航空發(fā)動機(jī)原理4實際循環(huán)發(fā)動機(jī)實際工作過程8/5/202315航空發(fā)動機(jī)壓縮過程(0-2)：認(rèn)為是絕熱的多變過程膨脹過程(3-5)：認(rèn)為是絕熱的多變過程燃燒室中由于流動損失和加熱熱阻存在，加熱伴隨氣流總壓損失

9/30/202316航空發(fā)動機(jī)原理壓縮過程(0-2)：認(rèn)為是絕熱的多變過程8/5/2023指示功有效功對渦噴發(fā)動機(jī)，對外輸出功渦噴發(fā)動機(jī)：對外輸出的有效功完全用來增加流過發(fā)動機(jī)氣體的動能；渦扇發(fā)動機(jī)：一部分有效功用來驅(qū)動外涵風(fēng)扇；渦輪螺槳發(fā)動機(jī)：有效功大部分用來驅(qū)動螺旋槳，小部分增加氣體動能；渦輪軸發(fā)動機(jī)：實際循環(huán)的全部有效功絕大部分用來驅(qū)動直升機(jī)的旋翼。9/30/202317航空發(fā)動機(jī)原理指示功有效功對渦噴發(fā)動機(jī)，對外輸出功渦噴發(fā)動機(jī)：對外輸出的有有效功影響實際循環(huán)功的因素：加熱比Δ、增壓比、壓縮效率、膨脹效率等9/30/202318航空發(fā)動機(jī)原理有效功8/5/202318航空發(fā)動機(jī)原理熱效率影響發(fā)動機(jī)實際循環(huán)熱效率的因素：加熱比Δ(或渦輪前燃?xì)饪倻?、增壓比、壓氣機(jī)效率、渦輪效率。ηt＝

9/30/202319航空發(fā)動機(jī)原理熱效率ηt＝8/5/202319航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的推力1推力的產(chǎn)生推力的定義氣體流過發(fā)動機(jī)時對發(fā)動機(jī)內(nèi)外殼體作用力的合力在發(fā)動機(jī)軸線方向的分力叫推力，用符號表示。

推力是合力推力的分布圖2－16推力的分布9/30/202320航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的推力1推力的產(chǎn)生圖2－16推力的分布8/2推力的計算公式推力計算推導(dǎo)控制體的選取動量方程氣體為研究對象簡化條件假設(shè)進(jìn)氣道的流量系數(shù)φi等于1，即發(fā)動機(jī)外表面的壓力均等于外界大氣壓氣體流經(jīng)發(fā)動機(jī)外表面時沒有摩擦阻力9/30/202321航空發(fā)動機(jī)原理2推力的計算公式8/5/202321航空發(fā)動機(jī)原理動量方程（向后方向為正）對氣體的作用力:0-0截面（用0-0截面代替01-01截面）5-5截面0-5內(nèi)壁對氣體的作用力為所以9/30/202322航空發(fā)動機(jī)原理動量方程（向后方向為正）8/5/202322航空發(fā)動機(jī)原理發(fā)動機(jī)內(nèi)壁對氣體向后的作用力：設(shè)Fin氣體作用在發(fā)動機(jī)內(nèi)壁上的力，則Fin與fin大小相等，方向相反，故：作用在發(fā)動機(jī)外表面上的軸向力Fout，設(shè)方向向前，則9/30/202323航空發(fā)動機(jī)原理發(fā)動機(jī)內(nèi)壁對氣體向后的作用力：8/5/202323航空發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)的推力F為：當(dāng)發(fā)動機(jī)噴管處于完全膨脹p5＝p0時,且忽略燃油質(zhì)量qmf時，則：地面工作時,V＝０,則9/30/202324航空發(fā)動機(jī)原理發(fā)動機(jī)的推力F為：8/5/202324航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的效率1實際循環(huán)熱效率實際循環(huán)熱效率的因素：加熱比增壓比壓氣機(jī)效率和渦輪效率最經(jīng)濟(jì)增壓比πeco

定義

圖2-14熱效率實線(實際)虛線(理想)

9/30/202325航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的效率1實際循環(huán)熱效率圖2-14熱效率實為什么πeco>πopt當(dāng)π＞πopt后，隨著π的增大，熱效率ηt仍緩慢上升直到π＞πeco后，隨著π的增大，最經(jīng)濟(jì)增壓比πeco大于最佳增壓比πopt。壓氣機(jī)渦輪效率的含義圖2-15換算功和熱量隨增壓比變化

9/30/202326航空發(fā)動機(jī)原理為什么πeco>πopt圖2-15換算功和熱量8/熱效率考慮了熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程中的全部損失發(fā)動機(jī)排出的燃?xì)馑鶐ё叩撵剩s為55－75％；燃油在燃燒室中不完全燃燒的損失通過發(fā)動機(jī)壁面向外散失的熱量后兩項約為3－4％。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的熱效率約為25－40％9/30/202327航空發(fā)動機(jī)原理熱效率考慮了熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程中的全部損失8/5/2022推進(jìn)效率推進(jìn)效率是發(fā)動機(jī)完成的推進(jìn)功率與單位時間發(fā)動機(jī)從熱力循環(huán)中獲得的循環(huán)功（可用能量，這里為氣體動能）的比值推進(jìn)功率FV＝Vqm(V5－V）單位時間循環(huán)功推進(jìn)效率9/30/202328航空發(fā)動機(jī)原理2推進(jìn)效率8/5/202328航空發(fā)動機(jī)原理ηp分析：取決于，越大，越低V5＝V時，ηp＝1.0，F(xiàn)=0V＝０時，ηp＝０在飛行中，只要發(fā)動機(jī)的推力不為零，推進(jìn)效率總小于１能量分析9/30/202329航空發(fā)動機(jī)原理ηp分析：8/5/202329航空發(fā)動機(jī)原理3總效率η0推進(jìn)功率與單位時間進(jìn)入燃燒室的燃油完全燃燒所釋放出的熱量的比值Hu是燃油的低熱值，即一公斤燃油完全燃燒所釋放出的熱量（燃燒產(chǎn)物中的水蒸汽是氣體狀態(tài)）三者之間的關(guān)系η0＝ηtηp

9/30/202330航空發(fā)動機(jī)原理3總效率η08/5/202330航空發(fā)動機(jī)原理9/30/202331航空發(fā)動機(jī)原理8/5/202331航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)1推力指標(biāo)推力F推力是發(fā)動機(jī)最主要的性能指標(biāo)但決不能只以它的大小來衡量發(fā)動機(jī)的好壞因為它并不能表明發(fā)動機(jī)有多大尺寸,有多少重量也不知道消耗多少燃油才產(chǎn)生這樣大的推力9/30/202332航空發(fā)動機(jī)原理噴氣發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)1推力指標(biāo)8/5/202332航空發(fā)動單位推力Fs定義單位推力是發(fā)動機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一在給定飛行條件,發(fā)動機(jī)尺寸和重量的情況下,單位推力愈大,則發(fā)動機(jī)的推力也愈大9/30/202333航空發(fā)動機(jī)原理單位推力Fs8/5/202333航空發(fā)動機(jī)原理推重比Fw它對飛機(jī)的最大平飛速度、升限、爬升速度等性能及有效載重量等都有直接的應(yīng)響迎面推力FA發(fā)動機(jī)的推力與發(fā)動機(jī)最大迎風(fēng)面積的比值9/30/202334航空發(fā)動機(jī)原理推重比Fw8/5/202334航空發(fā)動機(jī)原理經(jīng)濟(jì)指標(biāo)燃油消耗量qmf單位時間進(jìn)入燃燒室的燃油質(zhì)量qmf不能完全反映發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能差qmf是一個重要的監(jiān)控參數(shù)因為隨著發(fā)動機(jī)性能的下降及故障的出現(xiàn),燃油消耗量將增加故可以根據(jù)燃油消耗量和排氣溫度的變化,判別發(fā)動機(jī)性能衰退的情況和故障9/30/202335航空發(fā)動機(jī)原理經(jīng)濟(jì)指標(biāo)燃油消耗量qmf8/5/202335航空發(fā)動機(jī)原理燃油消耗率sfc

定義：產(chǎn)生單位推力在一小時內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量稱為燃油消耗率sfc與η0之間的關(guān)系9/30/202336航空發(fā)動機(jī)原理燃油消耗率sfc8/5/202336航空發(fā)動機(jī)原理在一定的飛行馬赫數(shù)下,燃油消耗率與發(fā)動機(jī)的總效率成反比在一定的飛行馬赫數(shù)下,燃油消耗率表示了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響sfc的兩個因