航发原理-第十一章发动机特性

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1. 推力F变化原因：
几何不可调的发动机节流特性
① 从最大状态节流时， n ↓ ，q(λ2) ↓ , Wa ↓; ② 从最大状态节流时， n ↓ ，起初Pt9 ↓, Tt9 ↓, C9 ↓ Fs ↓；当转速下降很多时， Tt9 ↑，但Tt9 ↓起主要作用， C9 ↓ Fs ↓; ③ 推力F=Wa与Fs的乘积; 由于Wa ↓，Fs ↓，因此F ↓。 2. 耗油率 sfc变化原因； ① 从最大状态节流时， πCL ↓, πCH ↓, Δ ↓, 因此 ηt ↓ ； ② 从最大状态节流时，Tt4 ↓, πCL 和πCH ↓使C9 ↓， ηP↑ ； ③ 在从最大状态开始节流时， ηP↑ 占主导地位，因此 η0↑，sfc ↓ ； ④ 进一步节流时， ηt ↓ 起主要作用，因此η 0 ↓ ，sfc ↑ 。
1. 2. 3. 4.
航空燃气涡轮发动机特性 单轴涡轮喷气发动机特性 双轴涡轮喷气发动机特性 涡轮风扇发动机特性
二、 发动机特性获取方法
(1) 理论计算方法无法获得，必须采用试验测量的方法； (2) 试验研究对象：发动机部件试验和发动机整机试验； (3) 试验设备可能提供的环境范围：
① ② ③
地面试验（地面台架试车）； 高空模拟试验（高空台试验）； 飞行试验（试飞）。
3
3.
耗油率 sfc变化原因；
二、高度特性（调节规律Tt4=Tt4max=const.，气流在尾喷管中完全膨胀）
f ≈
3600q H u Fs
sfc =
3600 f Fs
sfc =
C p (Tt 4 − Tt 3 ) Hu
=
q Hu
① 当Ma0 ↑时， Tt0 ↑ ， Tt3 ↑ ，调节规律Tt4 →, q ∝（ Tt4 Tt3 ）↓ , ② 当Ma0 ↑时， Fs ↓ ↓ 比q ↓ 快，因此sfc ↑ ； ③ 随着Ma0 ↑，当Fs =0时，sfc→ ∞；
pt 2 q ( λ2 ) Tt 2
Wa Tt 2
2 D2 pt 2
= const ⋅ q ( λ2 ) ∝ Maa = const
Wa Tt 2
大气温度对燃气涡轮发动机节流特性的影响
pt 2
= const
λu =
U2 = const ⋅ acr
nD2 nD2 = const ⋅ ∝ Mau 2k Tt 2 RTt 2 k +1
发动机地面试车台
用于测量空气流量的发动机地面试车用发动机进气道 发动机高空试车台
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三、 用相似理论换算发动机的特性
相似工作状态
如果流过几何相似的压气机进口的气流绝对运动和相对运动 的Ma0分别保持常数不变，则压气机的工作状态是相似的。
⎧ Maa = const ⎨ ⎩ Mau = const
Wa = KA2
② 当Ma0 ↑时, C0 ↑, 首先假定Le→, 因此 C9 必须成比例↑，Fs↓; ③ 实际上, Ma0 =0时的πc> πc,opt。当Ma0 ↑时, πi↑, π∑↑, Le ↓; ④ 当Tt4 →, Tt9 →, 而当Ma0 ↑时, π∑↑，因此Pt9 ↑ ， C9 ↑； ⑤ 综上所述，当Ma0 ↑时, C0 ↑, C9 ↑ ，Le ↓，因此Fs↓。
3. 单位推力相似参数
4. 推力相似参数
Wf pt 0 sfc 3600W f = = const ⋅ = const Tt 0 F Tt 0 pt 0 Tt 0 F sfc = const Tt 0
Fcor F = m 101325 pt 0
W f ,cor 101325 288.15 = W f ,m pt 0 Tt 0
3. 空气质量流量相似参数
Wa Tt 2 pt 2
= const
Wa Tt 0 pt 0
= const
4. 单位推力相似参数
Fs T C C = t 9 9 − 0 = const Tt 0 Tt 9 Tt 0 Tt 0
Fs Tt 0
5. 推力相似参数
= const
发动机的组合相似参数
1. 低压转子转速相似参数
2.
推力F变化原因；
F = Wa ⋅ Fs
Wa = KA 2 Pt 2 Tt 2 q ( λ2 )
① 随着H ↑，当H<11km时，T0 ↓, P0 ↓; 当H≥11km 时， T0 →, P0 ↓； ② 当H<11km时， T0 ↓ ，Tt0 ↓, Tt2 ↓ ，Wa ↑; P0 ↓ ，Pt0 ↓, Pt2 ↓, Wa ↓ 。 Pt2 ↓比Tt2 ↓对流量的影 响更大，因此 Wa ↓ ； ③ 当H≥11km时， T0 →, Wa → ；P0 ↓， Wa ↓ ，因 此Wa ↓ ↓； ④ 推力F=Wa与Fs的乘积; 由于Wa ↓比Fs ↑的变化快， F 因此F ↓ ；当H≥11km时， Wa ↓ ↓， Fs → ， ↓↓。
=
const ⋅Wa (Tt 4 − Tt 3 ) pt 0 Tt 0
= const ⋅
Wa Tt 0 ⎛ Tt 4 Tt 3 ⎞ − ⎟ = const ⎜ pt 0 ⎝ Tt 0 Tt 0 ⎠
2. 空气质量流量相似参数
=
Wa ,m Tt 0 pt 0
Wf pt 0 Tt 0
7. 耗油率相似参数
= const
2
6. 燃油流量相似参数
地面台架试车时燃气涡轮发动机性能的换算
ncor n = m 288.15 T0
Wa ,cor 288.15 101325
Fs ,cor 288.15 = Fs ,m Tt 0
W W f H uηb = a C p (Tt 4 − Tt 3 ) 1+ B
1. 转速相似参数
Wf pt 0 Tt 0
3.
耗油率 sfc变化原因；
三、节流特性
f ≈
3600q H u Fs
sfc =
3600 f Fs
sfc =
C p (Tt 4 − Tt 3 ) Hu
=
q Hu
发动机的主要工作状态
(1) 全加力状态（最大加力状态）≤5-10min； (2) 最小加力状态； (3) 最大工作状态； (4) 最大连续工作状态（额定状态，85-90%最大推力）； (5) 巡航状态（50-80%最大推力）； (6) 慢车状态（3-5%最大推力）。
nD2 = const Tt 2
n = const Tt 2
几何相似的WP/WS发动机工作状态相似的充分必要条件是：
Ma0 = const
n = const Tt 2
Ma0 = const
n = const Tt 2
发动机在工作状态相似时的重要性质：
a) 各对应截面上同名物理量的比值保持不变，即：pi/p0=const， Ti/T0=const； b) 各截面上的飞行马赫数和部件的效率不变，即：Mai=const， ηj=const； c) 由以上两个性质推导的一些物理量的组合参数不变，这些有量纲 的相似参数有：低压转子转速相似参数、高压转子转速相似参数、 空气质量流量相似参数、单位推力相似参数、推力相似参数、燃 油流量相似参数以及耗油率相似参数。
① 随着H ↑，当H<11km时，T0 ↓, P0 ↓; 当H≥11km时， T0 →, P0 ↓； ② 当H<11km时，随着H ↑， T0 ↓ ， Tt0 ↓ ， Tt3 ↓ ，调节规 律Tt4 →, q ∝（ Tt4 - Tt3 ） ↑ , ηt ↑, sfc ↓ ; ③ 当H≥11km时，随着H ↑， T0 →, q →, Fs →, 因此sfc → ； ④ P0的变化对 sfc没有影响。
高度特性分析
1. 单位推力Fs变化原因： ① 随着H ↑，当H<11km时，T0 ↓, P0 ↓; 当H≥11km时， T0 →, P0 ↓; ② 当H<11km时，随着H ↑， T0 ↓, Tt0 ↓, Tt2 ↓, Tt3 ↓, 调节规律Tt4→, Tt4-Tt3 ↑, q ↑, 发动机做功能力↑，C9 ↑, Fs ↑; ③ 当H≥11km时，随着H ↑， T0 →, Fs →; ④ P0 ↓, Pt0 ↓,发动机流路各截面的压力都成比例变化， Fs →; ⑤ 因此，随着H ↑，当H<11km时， Fs ↑；当H≥11km时， Fs →；
n1 = const Tt 2
n2 = const Tt 2.5
W T F = Wa ( C9 − C0 ) = a t 0 pt 0 pt 0
⎡ Tt 9 C9 C ⎤ − 0 ⎥ = const ⎢ Tt 0 ⎥ ⎢ Tt 0 Tt 9 ⎣ ⎦
2. 高压转子转速相似参数
F = const pt 0
2.
耗油率 sfc变化原因（Tt4=const. 调节规律) ；
二、高度特性
sfc =
3600q H u Fs
① 当Ma0 ↑时， Tt0 ↑ ， Tt3 ↑ ，调节规律Tt4 →, q ∝ （ Tt4 - Tt3 ）↓ , ② 当Ma0 ↑时， Fs ↓ ↓ 比q ↓ 快，因此sfc ↑ ； ③ 随着Ma0 ↑，当Fs =0时，sfc→ ∞；
本次课的主要内容
第十一章 航空燃气涡轮发动机特性
对应教材的第五~七章
11.1 航空燃气涡轮发动机特性
一、 发动机特性
(1) 非设计点：油门杆位置、飞行速度、飞行高度、大气条 件； (2) 发动机特性分为：速度特性、高度特性和节流特性； (3)速度特性：只随飞行速度变化； (4)高度特性：只随飞行高度变化； (5)节流特性：只随油门杆位置变化。
5. 燃油流量相似参数
6. 耗油率相似参数
( sfc )cor
288.15
=
( sfc )m
Tt 0
发动机转速特性及其相似换算
11.2 单轴涡喷发动机特性