航空发动机工程通论：压气机与涡轮协同效能

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：下面以单轴发动机为例，来研究压气机和涡轮的共同工作特性。图2-44压气机-涡轮共同工作线以上所讲的共同工作线是在发动机几何不可调、涡轮导向器和尾喷管处于临界或超临界状态下单轴涡轮发动机的共同工作线。在上述条件下涡轮落压比等于常数，所以也称为涡轮落压比等于常数的共同工作线。当转速恒定时，随飞行马赫数的增加，压气机进口温度会增加，共同工作线则向下移。

压气机和涡轮是用一根共同的轴连接起来，这样，它们之间除了有气动连接外，还有机械连接。由于这种连接，故使得两者工作时必须满足共同的工作条件。目前广泛使用的燃气涡轮发动机有单轴的、双轴的，也有个别三轴的。下面以单轴发动机为例，来研究压气机和涡轮的共同工作特性。研究单轴也是研究双轴和三轴发动机问题的基础。

压气机和涡轮连在一起有其共同工作的条件：

（1）物理转速相等

压气机和涡轮是共用同一根轴，因此压气机的转速nC等于涡轮的转速nT：

（2）物理流量一致

流过涡轮的燃气流量和流过压气机的空气流量，可以表示为

（3）物理功率一致

燃气发生器平衡工作时，压气机由涡轮带动，两者的功率关系为

（4）两者压力平衡

涡轮进口气流的总压和压气机出口的气流总压有

以上就是发动机在任意转速下平衡工作时，压气机、燃烧室、涡轮的气流参数必须同时满足的条件。

当发动机在一定的飞行状态下工作时，如果保持燃油量和各部件的几何参数不变，那么发动机将在这一状态下稳定工作。如果改变这些参数量，则会使发动机进入不同的工作状态。由于发动机各部件是协调工作、相互影响的，所以任何一个部件工作状态的变化都将影响其他部件的工作。

根据有关文献［53］，如果将表征压气机和涡轮工作特性的有关参数进行组合，转换并描述在同一张图上，则如图2－43 所示。在图示坐标参数中，LT为涡轮功，n 为转速，mg、分别为涡轮进口燃气流量和总压。图2－43 中表征压气机和涡轮特性的数值分别从而来，采用这两个组合参数主要是考虑在压气机和涡轮匹配工作问题上，压气机用静压对总压比、涡轮用总压对静压比，能更准确地反映有效能量转换。

从图2－43 中可以看出，发动机只有在压气机和涡轮特性线的同等能量（数值）线交互的共同点上才能实现平衡状态工作。将这些共同工作点在压气机特性图（见图2－29）上画出并连起来，就形成了一根线条，也就是压气机和涡轮的共同工作线，如图2－44所示。

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图2-43　压气机与涡轮组合参数特性图

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图2-44　压气机-涡轮共同工作线

以上所讲的共同工作线是在发动机几何不可调、涡轮导向器和尾喷管处于临界或超临界状态下单轴涡轮发动机的共同工作线。在上述条件下涡轮落压比等于常数，所以也称为涡轮落压比等于常数的共同工作线。当发动机在飞机上稳定运行时，只要上述条件成立，发动机工作点必然在共同工作线上。但是，实际上共同工作线会随着一些发动机关键参数的改变而发生变化。

比如，调整加大尾喷口面积，涡轮落压比会增加，涡轮功也会增加，这就破坏了原来工作点上的功率平衡，共同工作线将会向下移，远离喘振边界。

当燃烧室出口温度升高时，共同工作线将会向上移，接近压气机的喘振边界。

当转速恒定时，随飞行马赫数的增加，压气机进口温度会增加，共同工作线则向下移。

在低速飞行和物理转速较小的情况下，发动机总增压比较低，尾喷管可能处于亚临界状态，这时共同工作线与飞行马赫数有关，即马赫数减小，共同工作线沿着等转速线上移。

设计点的压气机增压比对共同工作线有明显影响，当压气机设计为高增压比，在低转速时共同工作线会向喘振边界移动；当压气机设计为低增压比时，在高转速时共同工作线会向喘振边界移动。

注：本章内容主要素材取自以下参考文献，尤其是文献［1］，以及若干其他资料。

航空发动机工程通论：压气机与涡轮协同效能

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