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航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書

包郵 航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書

出版社:科學出版社出版時間:2022-08-01
開本: 16開 頁數: 377
本類榜單:教材銷量榜
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航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書 版權信息

  • ISBN:9787030727763
  • 條形碼:9787030727763 ; 978-7-03-072776-3
  • 裝幀:簡裝本
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書 內容簡介

本書系統、全面地介紹了航空燃氣渦輪發動機原理相關的知識,包括氣動熱力學基礎理論與計算方法、發動機的力學原理和能量轉換原理、熱力循環分析、總體性能計算方法、穩態與過渡態特性及其獲取方法、發動機安裝阻力等使用特性、共同工作機理與控制規律、新概念發動機的基本原理與關鍵技術等。重點以渦噴和渦扇發動機為例給出了設計點性能計算、循環分析和非設計點特性計算建模的實例。為了方便讀者學習,書中提供了思考題。
本書可供航空發動機設計專業的高年級本科生和研究生學習,也可供從事相關專業的科研人員閱讀參考。

航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書 目錄

目錄

叢書序

前言

第1章 航空推進系統的理論基礎 1

1.1 氣動熱力學的理論基礎 001

1.1.1 氣體的狀態方程、聲速與馬赫數 001

1.1.2 氣體的總溫總壓 002

1.1.3 總參數表示的流量公式 003

1.1.4 氣體流動的能量守恒方程 003

1.1.5 氣體流動的動量方程 004

1.1.6 變比熱法 004

1.1.7 有效熱值法 007

1.1.8 相似理論簡介 009

1.2 渦輪發動機的部件基礎 011

1.2.1 大氣參數 011

1.2.2 進氣道 013

1.2.3 風扇和壓氣機 019

1.2.4 主燃燒室 023

1.2.5 渦輪 025

1.2.6 外涵道 028

1.2.7 混合室 029

1.2.8 加力燃燒室 030

1.2.9 尾噴管 033

1.3 渦輪發動機的熱力循環 040

1.3.1 渦噴發動機的熱力循環 040

1.3.2 渦扇發動機的熱力循環 048

1.3.3 渦軸/渦槳發動機的熱力循環 050

習題 051

第2章 航空燃氣渦輪發動機的類型與性能參數60

2.1 渦輪發動機的基本結構、功能與用途 061

2.1.1 渦輪噴氣發動機 062

2.1.2 渦輪風扇發動機 064

2.1.3 渦輪螺旋槳發動機 067

2.1.4 渦輪軸發動機 068

2.1.5 渦輪槳扇發動機 068

2.1.6 其他類型的航空燃氣渦輪發動機 069

2.2 渦輪發動機的基本工作原理 071

2.2.1 渦噴發動機與活塞式發動機的對比 071

2.2.2 渦噴發動機的力學原理 071

2.2.3 航空燃氣渦輪發動機原理的主要研究范圍 075

2.3 渦輪發動機的性能參數 076

2.3.1 渦噴、渦扇發動機的性能參數 076

2.3.2 渦軸、渦槳發動機的性能參數 077

2.3.3 渦輪發動機性能參數的發展趨勢 078

2.4 渦輪發動機的推力和功率 081

2.4.1 渦噴發動機的推力公式 081

2.4.2 其他類型的渦輪發動機推力公式 086

2.4.3 渦軸、渦槳發動機功率 087

2.5 渦輪發動機的能量轉換和效率 088

2.5.1 渦輪發動機的熱效率 088

2.5.2 渦噴、渦扇發動機的推進效率 088

2.5.3 渦噴、渦扇發動機的總效率 089

2.5.4 關于能量與動量(力)的關系 089

2.5.5 關于能量的量級 094

習題 095

第3章 航空燃氣渦輪發動機設計點性能計算 100

3.1 渦輪發動機的設計點 100

3.2 設計點性能計算的假設 101

3.3 渦輪發動機設計點的性能計算步驟 102

3.3.1 單軸渦噴發動機設計點性能的平均比熱計算過程 102

3.3.2 單軸渦噴發動機設計點性能的變比熱計算過程 107

3.3.3 雙軸混排渦扇發動機設計點性能的平均比熱計算過程 112

3.3.4 雙軸混排渦扇發動機設計點性能的變比熱計算過程 123

3.4 渦輪發動機的循環分析 134

3.4.1 渦噴發動機的循環分析 135

3.4.2 渦噴發動機的敏感性分析 139

3.4.3 渦扇發動機的循環分析 140

3.4.4 渦扇發動機的敏感性分析 145

3.4.5 渦軸發動機的循環參數對性能參數的影響分析 148

3.5 渦扇發動機技術參數的選擇 150

3.5.1 渦扇發動機技術參數的限制值 150

3.5.2 渦扇發動機技術參數的發展趨勢 153

習題 155

第4章 航空燃氣渦輪發動機部件的共同工作和控制規律 161

4.1 非設計點特性與共同工作 161

4.2 獲得壓氣機特性圖的試驗方法 161

4.3 壓氣機的簡單匹配機理——壓氣機與節流閥的“共同工作” 164

4.3.1 壓氣機與節流閥的“簡單匹配”165

4.3.2 壓氣機與節流閥的“復雜匹配”170

4.4 定幾何單軸渦噴發動機部件的共同工作 173

4.4.1 共同工作方程 174

4.4.2 共同工作方程組 185

4.5 其他類型渦輪發動機的共同工作方程(組)189

4.5.1 雙軸渦噴發動機 189

4.5.2 混排渦扇發動機 191

4.5.3 分排渦扇發動機 194

4.5.4 渦軸、渦槳、槳扇發動機 196

4.6 渦輪發動機的控制規律 197

4.6.1 關于控制規律 197

4.6.2 單軸渦噴發動機的電子計算機控制簡介 198

4.6.3 單軸渦噴發動機的*大狀態控制規律 199

4.6.4 單軸渦噴發動機的巡航狀態控制規律 203

4.6.5 單軸渦噴發動機加力狀態控制規律 204

4.6.6 其他渦輪發動機的*大狀態控制規律 207

習題 214

第5章 航空燃氣渦輪發動機特性 221

5.1 渦輪發動機特性 222

5.1.1 渦輪發動機特性的定義 222

5.1.2 特性計算的目的 222

5.1.3 渦輪發動機特性函數定義 222

5.2 變比熱渦輪發動機特性計算基礎 223

5.2.1 部件特性圖 223

5.2.2 多元插值法 227

5.2.3 比例系數(耦合系數) 227

5.2.4 改善牛頓法的收斂性 228

5.3 渦噴、渦扇發動機的速度特性 232

5.3.1 渦噴發動機的速度特性 232

5.3.2 雙軸混排渦扇發動機的速度特性 239

5.4 渦噴、渦扇發動機的高度特性 244

5.4.1 渦噴發動機的高度特性 244

5.4.2 渦扇發動機的高度特性 245

5.5 渦噴、渦扇發動機的溫度特性 247

5.5.1 渦噴發動機的溫度特性 247

5.5.2 渦扇發動機的溫度特性 249

5.6 渦噴、渦扇發動機的節流特性 250

5.6.1 渦噴發動機的節流特性 250

5.6.2 渦扇發動機的節流特性 250

5.7 渦輪發動機特性獲取的試驗方法 250

5.7.1 幾何相似 250

5.7.2 流動相似 251

5.7.3 航空燃氣渦輪發動機的相似工作狀態 253

5.7.4 發動機的組合相似參數 256

5.7.5 發動機地面試車性能參數的換算 258

5.8 渦輪發動機的加、減速特性 261

5.8.1 加、減速特性計算方法 261

5.8.2 加、減速過程的控制規律設計方法 267

5.9 渦輪發動機的起動特性 270

習題 273

第6章 航空燃氣渦輪發動機使用特性 276

6.1 飛行包線與渦輪發動機的工作包線 276

6.1.1 戰斗機用渦輪發動機 276

6.1.2 客機/運輸機用渦輪發動機 278

6.1.3 起動包線 278

6.2 進氣道與渦輪發動機的匹配 279

6.2.1 進氣道與發動機流量匹配 280

6.2.2 進氣道與發動機的流場匹配 286

6.2.3 超聲速進氣道安裝阻力 290

6.3 使用環境對渦輪發動機性能的影響 295

6.3.1 大氣溫度對發動機性能的影響 295

6.3.2 大氣濕度對發動機性能的影響 295

6.3.3 雷諾數對發動機性能的影響 296

6.3.4 引氣和功率提取對發動機性能的影響 296

6.4 不同飛行器對發動機的使用特性要求 297

6.4.1 軍用飛機對渦輪發動機的要求 297

6.4.2 民航飛機對渦輪發動機的要求 300

習題 307

第7章 新概念發動機 310

7.1 帶升力風扇的渦扇發動機 310

7.1.1 基本概念 310

7.1.2 工作原理及結構 310

7.1.3 工作過程 312

7.1.4 關鍵技術 314

7.2 變循環發動機 315

7.2.1 基本概念 315

7.2.2 分類及定義 315

7.2.3 性能優勢 317

7.3 渦輪基組合循環發動機 319

7.3.1 需求 319

7.3.2 基本原理 320

7.3.3 結構/組成 321

7.3.4 關鍵技術 323

7.3.5 發展現狀與趨勢 324

7.4 超燃沖壓發動機 326

7.4.1 需求 326

7.4.2 基本原理 327

7.4.3 結構/組成 328

7.4.4 關鍵技術 329

7.4.5 發展現狀與趨勢 331

7.5 脈沖爆震渦輪發動機 334

7.5.1 基本概念 334

7.5.2 分類及定義 335

7.5.3 原理及優勢 337

7.5.4 關鍵技術 341

7.6 分布式混合推進系統 341

7.6.1 背景 341

7.6.2 基本原理 343

7.6.3 結構/組成 344

7.6.4 關鍵技術 345

7.6.5 發展現狀及趨勢 347

7.7 其他新概念發動機和技術 348

7.7.1 齒輪傳動渦扇發動機 348

7.7.2 智能發動機 349

7.7.3 波轉子增壓循環發動機 351

7.7.4 核能發動機 354

7.7.5 離子風推進技術 354

7.7.6 航空燃氣渦輪發動機中的新技術 354

習題 365

參考文獻 367

主要符號表 369
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航空燃氣渦輪發動機原理/航空發動機基礎與教學叢書 節選

第1章 航空推進系統的理論基礎 航空推進系統和航空燃氣渦輪發動機的定義是不同的,基于噴氣推進原理的航空推進系統由航空燃氣渦輪發動機、進氣系統、排氣系統、附件系統和短艙等組成,因此航空推進系統所涉及的范圍比航空燃氣渦輪發動機的要寬得多。本書雖然涉及進氣道和尾噴管的部分內容,但是重點在于航空燃氣渦輪發動機本身,而不在于航空推進系統的其他部分。因此,除了本章以外,后面的章節主要介紹航空燃氣渦輪發動機原理。 航空燃氣渦輪發動機(簡稱航空渦輪發動機、渦輪發動機或者航空發動機),是指含有渦輪機械(葉輪機械,也稱作葉片機)的吸氣式航空發動機,是一種以布雷敦循環為基礎的熱機,本質上也屬于內燃機。航空發動機原理是在已有的工程熱力學、氣體動力學、葉片機原理、燃燒原理等專業課和專業基礎課的基礎上,把發動機的各部件(典型的五大部件: 進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管)融合在一起進行研究,主要內容包括渦輪發動機的力學原理、能量轉換原理、設計點性能計算、部件共同工作與控制規律、非設計點特性計算等方面,是一門綜合性很強的課程。學懂這門課需要掌握比較完整的預備知識。因此,第1章主要講述學習航空發動機原理需要使用到的氣動熱力學基礎[1]、各部件以及熱力循環的基本知識[2]。 1.1 氣動熱力學的理論基礎 1.1.1 氣體的狀態方程、聲速與馬赫數 理想氣體的壓力p、溫度T、密度ρ和比容v之間的關系稱為氣體狀態方程: p=ρRT或pv=RT 式中,R為氣體常數,只與氣體的分子量有關。 聲音在氣體(空氣和燃氣)中的傳播速度稱為聲速,聲速a與氣體的溫度T有關: 式中,γ為氣體的比熱比。 氣體的流動速度與當地的聲速之比,稱為馬赫數(氣體可壓縮性的相似準則): 氣體是可壓縮的,但當氣體流動的馬赫數小于0.3時,氣體的密度變化量小于5%,氣體流動可以被看作是不可壓縮流。發動機內部的氣體流動大多數情況下都是可壓縮流。 1.1.2 氣體的總溫總壓 以一定速度運動的氣流如果被等熵滯止到速度為零,由熱力學**定律可知,氣體的動能是不會消失的,它轉化成為氣體的熱能,具體表現為氣體的溫度升高了,在定比熱的假設下(氣體的比定壓熱容cp和比熱比γ不隨溫度變化而變化),來流的總溫Tt、靜溫Ts和來流的速度c0之間的關系為 即 式中,ht氣體的總焓;hs為氣體的靜焓。 利用氣流的馬赫數,總溫和靜溫之間的關系也可以表示為 (1-1) 式中,Ma0為來流氣體的馬赫數。 來流的動量也就轉換成壓力(氣流為不可壓縮): 式中,pt氣體的總壓;ps為氣體的靜壓。 由于氣體是可壓縮流體,高速運動下氣體的密度變化明顯,可通過公式(1-2)來表示總、靜壓和氣流馬赫數的關系: (1-2) 1.1.3 總參數表示的流量公式 常見的氣體流量公式為 Wa=ρcA 同理,由于渦輪發動機內部的氣體流速快、馬赫數較高,氣體密度的變化不可忽略,采用上式計算流量多有不便,而氣體的總溫總壓一般情況下是已知的,故氣體流量公式一般表示為 (1-3) 式中,A為某個截面的面積;pt為該截面的總壓;Tt為該截面的總溫;Ma為該截面氣流的馬赫數;K為比熱比γ的函數,一般情況下,對于空氣K取0.0404,對于燃氣K取0.0397。 1.1.4 氣體流動的能量守恒方程 發動機內部的氣體具有的能量(可以利用的)只有兩種,一種是以靜溫描述的靜焓,另外一種是以速度描述的動能,兩種能量合為一體就是總焓,即 或者 當氣體流經一個控制體(圖1-1),進口為1截面,出口為2截面,對氣體增加熱量q和做功L,一維流動能量守恒方程為 圖1-1 控制體中氣體流動的能量守恒定律示意圖 或者 (1-4) 當q為正,表明外界對氣體加熱;當q為負,表明氣體對外界放熱。當L為正,表明外界對氣體做功;當L為負,表明氣體對外界做功。 1.1.5 氣體流動的動量方程 當氣體流經一個控制體(圖1-2),進口為1截面,出口為2截面,控制體對氣體施加力,一維流動動量方程為 (1-5) 式中,I=Wac+psA。F是指控制體內部對氣體施加的所有力的合力,F可以為正值、零或負值。 圖1-2 控制體中氣體流動的動量方程示意圖 1.1.6 變比熱法 渦輪發動機內部的空氣和燃氣并不是理想氣體,氣體的溫度變化可達1500K以上,使得cp和γ有顯著變化。為了提高計算精度,應該考慮這種影響。 由熱力學**定律得 根據等熵過程的定義,有 對兩邊積分,得 采用定比熱法時,cp不變可以積分得到: 采用變比熱法時,令 式中,稱為熵函數。于是有 (1-6) 式(1-6)將等熵過程的兩個狀態的T(和一一對應)和p聯系起來了。 同樣,h的表達式為 式中,T0為氣體氣/液相變溫度。 把空氣和燃燒航空煤油的燃氣的cp隨T的變化關系測量出來,并擬合為T的多項式,和h就可以積分出來。參考文獻[3]中給出的通過測量并擬合得到的結果如下: 相應的cp、γ、h和隨T的變化趨勢圖如圖1-3所示。 圖1-3 空氣和燃氣的熱力學參數cp、γ、h和隨T的變化 圖1-3中是空氣和燃氣的熱力學參數,對于任意比例組合的燃氣,這些熱力學參數可以根據“航空煤油”和“空氣”的熱力學參數按照質量平均求出:

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