《直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造》課件-模塊二 航空渦輪發(fā)動機（下）

ENGINE直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造2.4.1渦輪結(jié)構(gòu)特點HELICOPTER回顧：渦輪的基本組成渦輪渦輪轉(zhuǎn)子（工作葉輪）渦輪靜子（導(dǎo)向器）目錄CONTNETS01渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點02渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點03渦輪框架Part01渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點渦輪轉(zhuǎn)子包括高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子高壓渦輪轉(zhuǎn)子低壓渦輪轉(zhuǎn)子一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點高壓渦輪轉(zhuǎn)子一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點低壓渦輪轉(zhuǎn)子一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（一）轉(zhuǎn)子基本組成渦輪轉(zhuǎn)子主要由渦輪盤、葉片和渦輪軸組成渦輪軸渦輪盤葉片一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片觀察：葉片結(jié)構(gòu)特點葉身中間葉根榫頭一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片01.葉身葉身結(jié)構(gòu)特點葉身比較厚，內(nèi)部有通冷卻空氣的孔一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片01.葉身葉身結(jié)構(gòu)特點葉身比較厚，內(nèi)部有通冷卻空氣的孔冷卻空氣來自壓氣機后一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片01.葉身葉身結(jié)構(gòu)特點葉身比較厚，內(nèi)部有通冷卻空氣的孔葉身扭曲，非直葉片保證不同半徑處流動效率較高，且保證葉片沿葉高方向出口出的速度均勻一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片01.葉身葉身結(jié)構(gòu)特點葉身比較厚，內(nèi)部有通冷卻空氣的孔葉身扭曲，非直葉片葉片帶冠提高葉片剛性，減振效果好，但加大了葉根離心符合容易應(yīng)力集中葉身有抗振措施抗振措施主要有葉片帶冠、葉身帶箍圈或凸臺、葉片切角等一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片02.葉身葉身帶箍圈葉身切角一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片03.榫頭榫頭樅樹型榫頭渦輪葉片榫頭多為樅樹型榫頭一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片03.榫頭一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片03.榫頭大圓弧少齒小圓弧多齒雙葉片思考：為什么采用樅樹榫頭一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片03.榫頭工作條件：輪緣溫度為500——650℃；離心力大自由膨脹，減少熱應(yīng)力、熱傳導(dǎo)性好、強度好榫頭要求：結(jié)構(gòu)特點多齒承載、倒錐型、間隙裝入一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片03.榫頭優(yōu)點重量輕、周向尺寸小、可安裝較多葉片、熱應(yīng)力小；缺點加工精度要求高、連接處熱傳導(dǎo)差一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片04.中間伸根中間葉根一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片04.中間伸根中間伸根中間伸根的功用降低葉片對盤的傳熱引冷卻空氣導(dǎo)入，提高冷卻效果伸根處可安裝阻尼材料，提高葉片抗振性一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（二）轉(zhuǎn)子葉片04.中間伸根中間伸根的功用降低葉片對盤的傳熱引冷卻空氣導(dǎo)入，提高冷卻效果伸根處可安裝阻尼材料，提高葉片抗振性阻尼材料一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（三）渦輪盤中間伸根的功用、、輪盤外緣有安裝葉片的榫槽一、渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點（三）渦輪盤中間伸根的功用、、輪盤外緣有安裝葉片的榫槽輪盤上可帶安裝邊，用于連接軸或封嚴(yán)裝置輪盤都有冷卻空氣流動進行冷卻Part02渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點二、渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點渦輪靜子組件主要包括靜子機匣、導(dǎo)向葉片、封嚴(yán)裝置、間隙控制裝置等機匣導(dǎo)向葉片封嚴(yán)裝置間隙控制裝置渦輪靜子組件二、渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點（一）機匣雙層或三層機匣內(nèi)環(huán)加易磨材料調(diào)整裝配間隙渦輪靜子組件二、渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點渦輪靜子組件主要包括靜子機匣、導(dǎo)向葉片、封嚴(yán)裝置、間隙控制裝置等渦輪靜子組件導(dǎo)向葉片二、渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點（二）導(dǎo)向葉片空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)通冷卻空氣葉片成組觀察：導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)特點Part03渦輪框架三、渦輪框架渦輪框架渦輪轉(zhuǎn)子包括高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子三、渦輪框架渦輪框架三、渦輪框架渦輪框架的功用三、渦輪框架提供發(fā)動機后安裝節(jié)的連接點渦輪框架的功用渦輪框架低壓渦輪機匣內(nèi)涵道氣流排氣管5號軸承支架排氣尾錐滑油進口蓋三、渦輪框架前部用螺栓連接低壓渦輪機匣的后安裝邊，后部為排氣管安裝邊，同時還有發(fā)動機吊點。提供發(fā)動機后安裝節(jié)的連接點是發(fā)動機后部的主要結(jié)構(gòu)件，支撐渦輪轉(zhuǎn)子支撐發(fā)動機排氣部件（噴管和排氣錐）三、渦輪框架渦輪框架支持發(fā)動機排氣尾錐渦輪框架的功用三、渦輪框架框架上支柱起整流作用，將排氣變成軸向支柱三、渦輪框架徑向支柱通常設(shè)計的盡可能短，支柱的膨脹最小，保持框架轂上的應(yīng)力低。切向支柱由熱膨脹引起的應(yīng)力最小，因為如果膨脹將使轂輕微轉(zhuǎn)動。渦輪框架支柱小結(jié)SUMMARY01渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點02渦輪靜子結(jié)構(gòu)特點ENGINE直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造2.4.2渦輪主要工作參數(shù)HELICOPTER回顧：氣流在渦輪中的流動過程渦輪回顧：氣流在渦輪中的流動過程收斂通道膨脹加速，熱能壓力能轉(zhuǎn)化為機械能問題為什么氣流在工作葉輪中氣流速度是下降的？目錄CONTNETS01氣流速度三角形02渦輪主要工作參數(shù)Part01氣流速度三角形一、氣流速度三角形

收斂通道

u

一、氣流速度三角形

u

u收斂通道

u氣流在渦輪中的相對速度由于通道收斂而增加氣流在渦輪中的絕對速度由于氣流對渦輪做功、熱能轉(zhuǎn)換為機械能而減少w：表示相對速度一、氣流速度三角形收斂通道膨脹加速，熱能壓力能轉(zhuǎn)化為機械能問題為什么氣流在工作葉輪中氣流速度是下降的？答：氣流在渦輪中的絕對速度由于氣流對渦輪做功、熱能轉(zhuǎn)換為機械能而減少Part02渦輪主要工作參數(shù)二、渦輪主要工作參數(shù)（一）渦輪落壓比渦輪落壓比指渦輪進口總壓與出口總壓的比值其大小反映了燃?xì)庠跍u輪內(nèi)的膨脹程度！1kg燃?xì)庠跍u輪中理想絕熱膨脹時所做的功為理想絕熱膨脹功1kg燃?xì)庠跍u輪中膨脹時，渦輪軸上實際輸出的功稱渦輪功二、渦輪主要工作參數(shù)（二）渦輪功思考：渦輪效率的大小反映了什么問題？二、渦輪主要工作參數(shù)（三）渦輪效率相同進口條件下，1kg燃?xì)庠跍u輪中膨脹的渦輪功與理想絕熱膨脹功之比，叫渦輪效率二、渦輪主要工作參數(shù)（四）渦輪功率單位時間內(nèi)渦輪軸上輸出的功，稱為渦輪功率小結(jié)SUMMARY01氣流在渦輪內(nèi)的流動02渦輪工作參數(shù)ENGINE直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造2.5.1噴管的功用和性能參數(shù)HELICOPTER回顧：氣流流流經(jīng)發(fā)動機的流動過程吸氣壓縮燃燒膨脹噴射VinVout回顧：氣流流流經(jīng)發(fā)動機的流動過程Vout噴管目錄CONTNETS01噴管的功用02噴管性能參數(shù)03噴管類型Part01噴管功用一、噴管功用噴管一、噴管功用功用使高溫高壓燃?xì)饧铀伲谷細(xì)鈨?nèi)能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，以產(chǎn)生推力；一、噴管功用功用使高溫高壓燃?xì)饧铀伲谷細(xì)鈨?nèi)能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，以產(chǎn)生推力；通過調(diào)整噴管的面積，改變發(fā)動機的工作狀態(tài)；一、噴管功用功用使高溫高壓燃?xì)饧铀伲谷細(xì)鈨?nèi)能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，以產(chǎn)生推力；通過調(diào)整噴管的面積，改變發(fā)動機的工作狀態(tài)；改變推力方向，給飛機提供附加操縱力矩或者產(chǎn)生反推力。出口速度多大Part02噴管性能參數(shù)二、噴管性能參數(shù)亞音速噴管（收斂形，噴口面積固定或可調(diào)）噴管類型超音速噴管（拉瓦爾，噴口面積固定或者可調(diào)）二、噴管性能參數(shù)（一）總壓恢復(fù)系數(shù)管后大氣壓力(反壓)噴管出口處總壓與噴管進口處總壓的比值稱為總壓恢復(fù)系數(shù)出口截面靜壓進口截面總壓目前噴管的總壓恢復(fù)系數(shù)約為0.96左右二、噴管性能參數(shù)（二）可用落壓比噴管進口處總壓與噴管后外大氣壓的比值稱為可用落壓比反應(yīng)的是外界給氣體提供的膨脹能力（氣體可用膨脹能力）二、噴管性能參數(shù)（三）實際落壓比噴管進口處的總壓與噴管出口處靜壓的比值稱為實際落壓比反應(yīng)氣體在噴管內(nèi)的實際膨脹程度二、噴管性能參數(shù)（四）收斂管出口氣流速度影響出口氣流速度的因素：噴管進口總溫、實際落壓比和流動損失流動損失系數(shù)二、噴管性能參數(shù)（四）收斂管出口氣流速度為什么噴氣速度不取決于可用落壓比？思考Part03噴管類型三、噴管類型按形式分收斂形收斂擴散形三、噴管類型按燃?xì)馀懦龇较蚍种绷魇絿姽芡屏κ噶繃姽苋姽茴愋桶磭姽苊娣e能否調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)噴管不可調(diào)節(jié)噴管高速戰(zhàn)斗機噴管面積一般都是可調(diào)的低速民用運輸機、渦軸發(fā)動機等噴管面積一般是不可調(diào)小結(jié)SUMMARY01噴管性能參數(shù)02噴管的類型ENGINE直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造2.5.2亞音速噴管HELICOPTER引入：亞音速噴管噴管引入：亞音速噴管按出口速度分類，噴管可分為亞音速噴管和超音速噴管目錄CONTNETS01亞音速噴管組成02亞音速噴管工作狀態(tài)Part01亞音速噴管組成一、亞音速噴管組成整流錐+支板+外殼組成排氣管排氣管+噴口組成整個噴管；噴口是是收斂形管道，使燃?xì)饧铀伲唤Y(jié)構(gòu)特點一、亞音速噴管組成整流錐+支板+外殼組成排氣管排氣管+噴口組成整個噴管；噴口是是收斂形管道，使燃?xì)饧铀伲唤Y(jié)構(gòu)特點收斂半角常取7°～35°一、亞音速噴管組成整流錐+支板+外殼組成排氣管排氣管+噴口組成整個噴管；噴口是是收斂形管道，使燃?xì)饧铀?；結(jié)構(gòu)特點思考：整流錐與整流支板的作用？一、亞音速噴管組成沒有整流錐和支板，氣流容易形成漩渦，增加流動損失一、亞音速噴管組成整流錐使氣流環(huán)形通道過渡成圓形，支板是規(guī)范氣流流動方向，減少流動損失外殼與整流錐之間通道是擴散形，使燃?xì)鉁p速減少流動損失；結(jié)構(gòu)特點Part02亞音速噴管工作狀態(tài)氣流流過收斂管的參數(shù)變化關(guān)系亞音速氣流流過收斂形通道，膨脹加速，高速噴出，氣體熱能和壓力能轉(zhuǎn)換成動能二、亞音速噴管工作狀態(tài)（一）噴管工作原理出口速度多大？二、亞音速噴管工作狀態(tài)（二）噴管工作狀態(tài)當(dāng)噴管進出口壓力差增加，氣流在收斂管內(nèi)加速噴管臨界狀態(tài)時：當(dāng)噴管出口截面剛打到M=1時，稱噴管為臨界工作狀態(tài)；氣流達(dá)到最大膨脹程度。01.臨界工作狀態(tài)注意：噴管的臨界壓力比是定值，反應(yīng)的是氣體在噴管內(nèi)的最大膨脹程度二、亞音速噴管工作狀態(tài)（二）噴管工作狀態(tài)02.亞臨界工作狀態(tài)氣流在噴管內(nèi)加速，出口M<1，此時：氣流在噴管內(nèi)加速，出口仍然M=1，但此時：二、亞音速噴管工作狀態(tài)（二）噴管工作狀態(tài)03.超臨界工作狀態(tài)當(dāng)噴管處于臨界或者超臨界狀態(tài)時出口截面的氣流M=1或“堵塞”噴管堵塞狀態(tài)時，氣流在噴管內(nèi)不完全膨脹，在噴管外繼續(xù)膨脹，直至壓力與外界大氣壓相等二、亞音速噴管工作狀態(tài)（二）噴管工作狀態(tài)03.超臨界工作狀態(tài)噴管不完全膨脹造成很大的推力損失，例如馬赫數(shù)為1.5時，損失約為14%；馬赫數(shù)為3時，損失大于50%二、亞音速噴管工作狀態(tài)（二）噴管工作狀態(tài)思考噴管堵塞后，如何才能進一步提高氣流速度？IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII采用拉瓦爾形超音速噴管小結(jié)SUMMARY01亞音速噴管組成02亞音速噴管臨界、亞臨界和超臨界狀態(tài)ENGINE直升機發(fā)動機原理與構(gòu)造2.5.3超音速噴管HELICOPTER回顧：收斂噴管堵塞后，如何才能進一步提高氣流速度？答：采用拉瓦爾形超音速噴管目錄CONTNETS01超音速噴管組成02超音速噴管工作狀態(tài)Part01超音速噴管組成一、超音速噴管組成亞音速收斂部分超音速擴散部分流速達(dá)到音速排氣噴口燃?xì)庠谑諗慷闻蛎浖铀?，在喉道處達(dá)到音速，此后在擴散段進一步膨脹加速為超音速一、超音速噴管組成亞音速收斂部分超音速擴散部分喉道處流速達(dá)到音速圖片來自網(wǎng)絡(luò)一、超音速噴管組成噴管出口面積可調(diào)喉道面積可調(diào)面積調(diào)節(jié)機構(gòu)拉瓦爾式超音速噴管一、超音速噴管組成由一個純收斂噴管和一個同心的外套筒組成收斂噴管氣流為發(fā)動機高壓燃?xì)猓Q為主流，引射外套筒的氣流，稱為次流，主氣流在亞音速次流中膨脹，形成“流體”壁面擴張段，主氣流繼續(xù)膨脹，高速排出。形成的“流體”壁面可以隨主氣流壓力變化自動調(diào)節(jié)。引射式超音速噴管一、超音速噴管組成思考超音速噴管也有臨界、亞臨界核超臨界狀態(tài)嗎？Part