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【口试课堂】发动机性能参数、单双转子发动机特性对比

最开始我还是先把这节用到的基本概念先列出来,供大家参考,这些概念对比理解就会清晰很多。

下面我们先来看单转子发动机的过渡状态,发动机的过渡状态有加速过程和减速过程发动机在过渡状态的性能好坏是由时间来衡量,过渡时间越短性能越好。过渡状态的影响因素有两个:1.转动惯量(转子越轻,转动惯量越小,加速越快)2.发动机剩余功率(剩余功率越大,加速越快)。

先来看看单转子发动机的加速过程

加速的前提是有剩余功率,即涡轮功率大于压气机功率。加速过程:油门杆前推,多喷油,涡轮前温度升高,涡轮功率增大,出现剩余功率,压气机在涡轮的带动下功率开始增大,同时进气量变大,油气比降低,涡轮前温度回落,涡轮功率开始变小,最后到达B点时涡轮功率等于压气机功率,完成加速过程。从这张图上,我们可以看到,加速过程中的主要矛盾是喘振边界,加速的时候工作曲线是往喘振边界移动的,而且推油门越快曲线越陡,甚至超过喘振边界发生喘振。另外加速过程中还有涡轮前温度过高,燃烧室超温,燃烧室富油熄火等问题。

减速过程和加速过程正好相反,油门杆后拉,少喷油,涡轮前温度降低,混合气体变成贫油,涡轮功率降低,导致压气机功率降低,发动机减速,减速导致进气量减少,燃烧室又开始变得富油,涡轮前温度上升,涡轮功率上升,到达B点时,涡轮功率等于压气机功率,完成减速过程。减速过程中的主要矛盾是贫油熄火,当减速发生时,发动机的工作曲线是往贫油熄火曲线靠近的,而且油门杆收得越快,发动机工作曲线变化越陡,甚至超过贫油熄火边界。

为了对比理解,现在我们来看看双转子发动机的加减速过程。

   先看加速过程。在双转子发动机中,高压转子的加速过程与单转子发动机类似(这个也能解释上节提到的加速时容易出现前涡后喘,前为低压转子,后为高压转子),这时高压压气机的主要矛盾是喘振。再来看看低压转子,其实也可对比前涡后喘来理解,当高压压气机加速时,产生抽吸作用,导致低压压气机气流量增大,并大于了低压转子转速的增量影响,从速度三角形可以看出此时低压转子工作曲线成往远离喘振的方向移动。至于图上画的,一开始的时候低压转子的曲线靠近过喘振曲线,这个书上没有说原因,我个人分析是因为:严格按步骤来想,先推油门,喷油增多,此时涡轮前温度升高,冲击涡轮,导致压气机转速上升,这一过程比流量增加快一步,从速度三角形可以看出,转速增大的影响大于流量增大的影响时,成正攻角,更易喘振。

来看减速过程,同样,高压转子减速过程与单转子类似。我们还是可以对比之前说的减速过程中容易发生前喘后涡来理解,如图高压转子正是往原理喘振边界方向移动,此时高压转子的主要矛盾是贫油熄火。再来看低压转子,减速过程中,高压转子转速下降,产生较强的流动阻力,对低压压气机形成节流作用,这时低压压气机流量进一步下降,且它的影响大于转速下降的影响,成正攻角,更易喘振,所以低压转子减速工作曲线靠近喘振边界。那为什么最开始的时候(A点开始),工作曲线往原理喘振方向移动呢?我个人理解:还是严格按过程来,收油门,喷油减少,涡轮前温度降低,压气机转速下降,转速下降快流量下降一步,之前的影响是转速下降影响占主要,从速度三角形看,此时更不容易喘振。所以大家分析速度三角形的时候一定要先搞清楚那个是主要因素。

最后我们来对比一下涡喷和涡扇发动机的转速、高度、速度特性。

先看看转速特性,由于涡喷和涡扇转速特性类似,所以我们就只看涡扇的图

涡扇和涡喷转速特性类似。首先推力肯定是随转速的增大而增大。燃油油耗起初随转速的增大而降低得较快,后面下降缓慢,到了接近最大转速时有所增加。三个因素对转速特性的影响:1.温度:当温度降低时,空气密度增大,空气流量增大,同时空气易于压缩,发动机增压比上升,发动机推力增大。由于增压比增加,总效率提升,发动机油耗降低。2.大气压力:大气压力增加,空气密度增加,空气流量增加,推力增大。由于大气压力增加不会影响发动机增压比,涡轮前温度,压气机和涡轮效率,故对油耗无影响。3.湿度:湿度增加,空气密度降低,空气流量减小,同时燃烧速度变慢,涡轮前温度降低,所以推力减小。大气湿度上升,要达到与之前相同的涡轮前温度就要多喷油,导致油耗上升。

再来看看,高度特性,涡扇发动机和涡喷发动机高度特性类似,只是变化快慢略有不同。11000M是一个分界点,11000M以下,随着高度的上升,大气温度降低,大气压力降低,大气密度下降,空气流量降低,发动机推力减少,由于温度降低,所以油耗下降。在11000M以上,属于同温层,温度不随高度变化,高度升高,大气压降低,密度降低,此时推力进一步减小,且减小幅度比11000M以下更快(因为此时大气压力为唯一因素,11000M以下还有温度的因素),油耗不变。

最后来看看速度曲线,速度曲线也是两种发动机差别最大的曲线

对于涡喷发动机,随着马赫速的增大,推力开始缓慢增加,当超过音速之后,推力增加较快,当马赫速继续增加时,推力转而下降,直至到零。对于涡扇发动机,随着涵道比的增加,发动机推力随马赫速的增加而不断下降,所以高涵道比发动机不适合做超音速飞行,涡喷发动机合适做超音速。在油耗方面,两者都是随着马赫速的增大,油耗增加。

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