【文章內(nèi)容簡介】 中計算出的燃油反應速率和利用圖 （圖中的空氣燃油比為空氣和燃油的質(zhì)量比）就可以算出燃油的燃燒效率。圖 為計算出來的燃燒效率與M數(shù)的變化關(guān)系圖。 圖 發(fā)動機燃燒效率特性曲線 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 39 頁 圖 發(fā)動機燃燒效率隨飛行 M數(shù)的變化曲線 圖 的計算結(jié)果中空氣燃油比大約為 50，根據(jù) ? 在 的計算結(jié)果，從圖 可查的燃燒效率 ? 隨飛行 M數(shù)的變化曲線見圖 。可見燃燒效率都在 98%以上。 為了提高航空發(fā)動機的燃燒效率，可采取以下的措施：①改變噴嘴流量的設計規(guī)律；②并盡量考慮低空特性；③提高飛機飛行的 M 數(shù)。④盡量合理的增加燃燒室機匣之間的徑向深度。 溫度與平均動能的關(guān)系 微觀角度分析 由熱力學的壓強公式 23kpn??? 和理想氣體壓強公式 p nkT? （ k 為玻耳茲曼常量ARk N? ）可以推知： 32kTk?? ? （ ） 從式中來看，分子的平均動能和氣體的溫度成正比。氣體的溫度越高，分子的平均動能就越大。 對于航空發(fā)動機而言： nk? = 1E （ ） 式中： 1E 為航空發(fā)動機的有效熱能， n為氣體的分子數(shù)。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 39 頁 宏觀角度分析 理想氣體的內(nèi)能： 2miE RTM? （ ） 式中的 i 為分子的自由度由分子的本身決定， M 為燃氣的摩爾質(zhì)量，當分子確定時，分子量為一個定值。 有效的內(nèi)能： 1E E?? （ ） 式中：η為燃料放出的熱能的有效利用率，對于相同的燃料利用率的情況下，燃燒室的溫度是相等的。 熱機效率計算過程 對于航空發(fā)動機而言，航空發(fā)動機是通過燃燒反應將儲存在化學燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為熱能的一種裝置，同時將這些熱能不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ囊环N裝置，因而它屬于熱機。在熱機中，工作物質(zhì)（即系統(tǒng)）所進行的過程都是循環(huán)過程，研究循環(huán)過程，對提高航空發(fā)動效率而言有很大作用。循環(huán)過程是指系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列變化后又回到了原態(tài)，則整個變換過程稱為循 環(huán)過程，簡稱循環(huán)。由于內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)（與變化過程無關(guān)只與起點和終點位置有關(guān)，對于功而言它只與過程有關(guān)），所以系統(tǒng)經(jīng)歷一個循環(huán)后其內(nèi)能變化為零。 這種循環(huán)過程可以用簡單的 PV圖來表示，準靜態(tài)（設有一個系統(tǒng)開始處于平衡態(tài)，經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后達到另一平衡態(tài)。如果系統(tǒng)在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的中間狀態(tài)，可以近似的當作平衡態(tài)，那么這個狀態(tài)變化的過程稱為準靜態(tài)過程。一般來說，在實際的熱力學過程中，在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的中間狀態(tài)，不可能都是平衡態(tài)，而為非平衡態(tài)。這樣的中間狀態(tài)為非平衡態(tài)的過程成為非靜態(tài)過程。）過程 可以用一閉合曲線來表示，這樣的曲線為循環(huán)曲線，如圖 中的 abcda 所示。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 39 頁 PV循環(huán)圖 若系統(tǒng)經(jīng)歷的循環(huán)沿過程曲線的順時針方向進行，這樣的循環(huán)稱為正循環(huán)；反之為逆循環(huán)。熱機中系統(tǒng)進行的循環(huán)均為正循環(huán)。從 圖可以看出，系統(tǒng)作沿曲線 abc 時體積從av增大到了bv對外界做功為正這種循環(huán)為正循環(huán)，而沿曲線 cda這種循環(huán)就為逆循環(huán)。為了計算方便，假設循環(huán)只由 abc 及 cda 兩個組成，其中 abc代表吸熱膨脹過程， cda 代表放熱壓縮過程。 設系統(tǒng)在 abc 過程中向低溫熱源放出的熱量為 1Q ，對外做的功為 1A ；在 cda過程中向低溫熱源放出的熱量為 2Q （即從低溫熱源吸收了 2Q 的熱量），外界對它做功 2A （系統(tǒng)對外界做的功為 2A ，這樣處理的 2Q ， 1A 均指絕對值）。于是，循環(huán)中系統(tǒng)吸收的凈熱量： 12Q ?? （ ） 做的凈功： 12A A A?? （ ） 由熱力學第一定律知： 12A Q Q?? （ ） 為了定量地反映熱機中熱功轉(zhuǎn)化的效益，將循環(huán)中做的凈功 A 與吸收熱量 1Q的比值定義為循環(huán)效率，以 ? 表示，即 1 2 11 2 21Q Q QAQ Q Q? ?? ? ? ? （ ） 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 39 頁 由于早期的熱效率很低，約為 4%左右。到了 1824 年卡洛提出了一種理想的由兩個等溫及兩個絕熱過程的循環(huán) 卡洛循環(huán)，見圖 。 圖 卡洛循環(huán)圖 其中曲線 ab、 cd代表兩個等溫過程， bc、 da代表兩個絕熱過程。由于等溫過程中系統(tǒng)只與一個恒溫熱源接觸，所以卡洛循環(huán)只需要兩個恒溫熱源，其工作原理如圖 。 圖 卡洛循環(huán)工作原理 這里我們以理想氣體為系統(tǒng)來討論卡洛循環(huán)的效率。由于 ab 過程為等溫膨脹過程，所以氣體吸收熱熱量，其值 2111VmQ RT InMV? （ ） 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 39 頁 在 bc 的絕熱膨脹過程中，氣體不吸收熱量，對外做的功2W等于氣體所減少的內(nèi)能，即 , 1 2()b c v mmE E E C T TM? ? ? ? ? ? （ ） 在 cd 的等溫壓縮過程中，外界對氣體作的功（3W?），等于氣體向溫度為2T的低溫熱源放出的熱量（ 2Q? ），即： 22ln baVmQ RTMV?? （ ） 兩邊同時去除負號得： 22ln dVmQ RTMV? （ ） 在 da 的絕熱壓縮過程中，氣體不吸收熱量，外界對氣體作的功 E? ，用于增加氣體的內(nèi)能，即： 12, ()ad VmmE M CE E T T? ? ? ? ? （ ） 由以上四式可得理想氣體經(jīng)歷一個卡洛循環(huán)后所做的凈功為： 12W ?? （ ） 從圖 可以看出，這個凈功 W 就是圖中循環(huán)所包圍的面積。 由于熱機效率公式得： 1 2 11 2 21A Q Q Q Q? ?? ? ? ? （ ） 由理想氣體絕熱方程 11TV??=常量，可得： 1112bcVVTT????? （ ） 1112adVVTT????? （ ） 兩式相除得： bcadVV? （ ） 將式子（ 11）分別帶入（ 2）、（ 5），化簡后有 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 39 頁 1212TT? （ ） 將（ 12）其帶入（ 8）得到理想氣體工作物質(zhì)的 卡洛熱機效率公式 1 1 2221 T T TTT? ?? ? ? （ ） 上式的1T、2T分別表示高溫熱源溫度和低溫熱源的溫度；航空發(fā)動機和大氣組成的系統(tǒng)中，航空發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣可以看作是高溫熱源，低溫熱源為發(fā)動機出口處的外界的溫度，這一溫度對于發(fā)動機的而言一般是個常量。從上式來看，要提高航空發(fā)動機燃燒室的效率一方面可以通過提高高溫熱源及發(fā)動機燃燒室的溫度，另一方面，可以通過降低低溫熱源的溫度，但這個不現(xiàn)實。從理論上來講發(fā)動機燃燒室的溫度越高發(fā)動機的熱效率就越高，然而航空發(fā)動的溫度不能無限制的提高，這受到了航空發(fā)動機的材料的性能所限制，這就迫使航空發(fā)動機設計人員不得不采用各種各樣的冷卻系 統(tǒng)來降低航空發(fā)動機燃燒室的溫度。這就造成了大量的化學能浪費。 4 火焰筒性能分析 燃燒室的火焰筒是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿闹饕獔鏊?，火焰筒要?jīng)受燃燒反應所產(chǎn)生的高溫，它也是燃燒室中溫度最高的部件。因此對火焰筒的材料的要求也是對材料要求最高的。然而燃燒由于反應的速率以及空氣和燃料的混合程度（霧化質(zhì)量的大小，霧化程度越高燃料燃燒就越充分）的不同，因此在火焰筒的各個地方所受的溫度也完全不同。為了保證火焰筒始終工作在材料的使用溫度允許的范圍內(nèi)，就有必要對燃燒室及火焰筒的最大的溫度區(qū)進行分析。 火焰筒壁溫的軸向分布 由于火焰筒頭部的霧化質(zhì)量相對比較高，燃油也相對的在這里比較富集，這里是化學反應最劇烈的地方，因此這些地方也相應的是溫度最高的地方，越到火焰筒的軸向后測，由于燃料的富集度以及霧化質(zhì)量都相對的降低，所以溫度沿火焰筒軸向越靠后就越低。 一般火焰筒軸向壁溫約在 120 毫米到 140毫米之間筒的內(nèi)壁的溫度最高，而在140毫米以后直到火焰筒出口溫度不斷的下降。火焰筒軸向的內(nèi)外壁的壁溫分布圖，中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 39 頁 如圖 圖 火焰筒壁溫沿軸向的分布圖 火焰筒的 120 毫米到 140 毫米主要為火焰筒頭部和火焰筒的第一氣膜段，由于這一段是航空發(fā)動機燃燒室溫度沿軸向的最高區(qū)段。因而我們在對火焰筒的軸向溫度分析是最好以火焰筒和火焰筒的第一氣膜段區(qū)域作為研究的對象。這樣就能使發(fā)動機工作在比較安全的溫度范圍內(nèi)。 火焰筒壁溫的徑向分布 圖 火焰筒溫度沿徑向的后視分布圖 可以看出火焰筒的中心溫度是最高的，溫度沿著徑向成不斷的趨勢發(fā)動機火焰筒頭部 120～ 140 毫米這范圍的軸向與右上的徑向的溫度為最高的區(qū)域與火焰筒的右上 45176。的地方筒壁的溫度最高。因為火焰筒這一區(qū)域長期在高溫高應力下 工作，會產(chǎn)生很大的變形。在某些局部地方，由于熱應力很大，材料有可能進入塑性區(qū)并發(fā)生蠕變。另外，由于發(fā)動機反復啟動、停車，使得火焰筒承受其大小或方向隨時中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 39 頁 間變化的循環(huán)載荷，會引起火焰筒產(chǎn)生裂紋、掉塊等故障。因此，對火焰筒和熱彈性 /蠕變應力等進行分析很有必要。 5 常用的發(fā)動機燃燒室的材料的性能 尤其是在第 3 章中的高溫區(qū)。這里的溫度由于是整個火焰筒中溫度最高的區(qū)域這個地方最頻繁發(fā)生裂紋、掉塊，尤其在這里由于是火焰筒頭部與氣膜段的銜接的地方存在很大的應力集中。 材料的性能在選取航空發(fā)動機材料時是首要的考慮的，特別 是材料在高溫下的性能，尤其是在高溫下材料的各種性能參數(shù)如彈性模量、屈服極限、強化模量、線膨脹率等。 GH3044 的性能 . 材料的密度為 ，其化學成分如表 表 GH3044的成分表 力學性能 現(xiàn)在以該材料做的 4 種鍛件的室溫下的力學性能見表 表 高溫拉伸性能 從表 所列 4種室溫力學性能可知，鍛件不同部位取下 4個試樣的拉伸強度b? 均在 860MPa～ 890 MPa 之間，伸縮率 s? 在 50%左右，斷面收縮率 ? 均在 60%左右，可以看出，鍛件拉伸性能很好。另外，室溫沖擊韌性 k? 值和布氏硬度 d 均很高，中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 39 頁 沖擊韌性很好，硬度較高。 鍛件的高溫持久性能 試驗材料為這種材料做的直徑為 28mm 的鍛件。以下是該鍛件在 900℃條件下測得的性能表，見表 表 鍛件高溫持久性能 材料的持久性能在 900℃、應力 70MPa 的條件下，時效達到了 20 多小時?？梢猿浞值目隙ㄔ摬牧蠐碛辛己玫某志眯阅?。 材料的高溫拉伸性能 表 材料的高溫拉伸性能 從表中可以看出這種材料在 900℃以下具有較高的塑性，并具有良好的抗氧化性能，因此目前在 900℃以下工作的航空發(fā)動機燃燒室經(jīng)常使用。 TiAlSnZrMoTaSiC 的性能 材料密度為 。在對材料 650℃和以上溫度進行拉伸、持久、高溫蠕變等測試后，發(fā)現(xiàn)這種材料在 650℃時具有良好的拉伸性能和穩(wěn)定性能。 拉伸性能 表 為該材料在室溫和 650℃時的拉伸性能。 表 合金棒材的拉伸性能 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 39 頁 這種材料室溫下的最大拉應力分別為 1090 MPa、 1106MPa，斷面收縮率也比較小，延伸率在 10%多，在 650℃下抗拉強度在 680MPa，延伸率比室溫下略有增加，斷面收縮率增加不多。從室溫到 650℃的高溫過程中溫度升高了 650℃，而 b? 只下降了為 30%～ 40%，延伸率增加了約為 40%。 熱穩(wěn)定性