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航空发动机工程通论:推力产生原理

【摘要】:图2-1航空发动机工作原理图[1]燃气涡轮发动机利用连续吸气和供油的方式工作。图2-1 所示为最简单的燃气涡轮发动机的示意图。如果燃气经涡轮完全膨胀,则输出功的主要部分被用于驱动压气机,其余部分被用于驱动风扇或螺旋桨推动飞机前进。如果燃气在涡轮中部分膨胀就能够产生足够的功驱动压气机,那么剩余的高温高压燃气就可以通过喷管提供高速射流。所以为了提高推力,可行的途径是提高进气流量或者提高排气速度。

图2-1 航空发动机工作原理图[1](书后附彩插)

燃气涡轮发动机利用连续吸气和供油的方式工作。最简单的燃气涡轮发动机包括三个主要部件——压气机燃烧室和涡轮。图2-1 所示为最简单的燃气涡轮发动机的示意图。空气来流经压气机压缩后变为高压进入燃烧室,在燃烧室内与燃料燃烧加热而形成高温高压燃气,燃气在涡轮中部分或全部膨胀并输出功,驱动压气机所需的功即来源于涡轮。压气机和涡轮通过轴连接,实现二者间的机械能转换。如果燃气经涡轮完全膨胀,则输出功的主要部分被用于驱动压气机,其余部分被用于驱动风扇或螺旋桨推动飞机前进。如果燃气在涡轮中部分膨胀就能够产生足够的功驱动压气机,那么剩余的高温高压燃气就可以通过喷管提供高速射流。有关燃气涡轮发动机的原理,国内外有很多文献可供参考,如理查德·布洛克利[1]、赛义德·法罗基[2]、P.P.沃尔什[3]、彭泽琰[4]、廉筱纯[5][6]、朱之丽[7]、Ю.Н.聂恰耶夫[8]、H.I.H.Saravanamuttoo[9]等。

发动机产生的推力可以用如图2-1(b)所示的控制体加以分析[1],该控制体从发动机进气的上游一直延伸到喷管的出口,侧面平行于自由来流的速度方向,并且和发动机表面之间有足够大的间距。根据牛顿第二定律,控制体积内流体的动量变化率等于它受的合力。假定流动稳定,则该定律可以表达为

式中,F——力;

V——流体速度;

dS——曲面 S 的微元;

n——对应的当地法向量。

假设发动机外部的空气流动可逆,除了发动机排气的出口(面积Ae)外,控制体其他表面上的压力和速度都可被视为常数,则式(2-1)可被简化为

式中,ma——进入发动机的空气流量(自由来流质量流量);

me——出口质量流量,出口质量流量是ma和mf的总和,mf是发动机内燃烧的燃料流量;

Ve——发动机出口气流的排气速度。

根据式(2-2),得到推力 F 为

一般地,为了简化分析,可以认为mf≪ma,因此在公式中略去mf,且认为理想状态下气流在喷管内完全膨胀,Pe=P0,因此该公式可以进一步简化为

即推力为进气流量乘以进排气速度的差值。所以为了提高推力,可行的途径是提高进气流量或者提高排气速度。