【正文】 lysis of thermal efficiency Thrustweight ratio Creep Lasting performance Turbofan Combustion efficiency Flame tube wall temperature Combustion chamber 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 39 頁(yè) 1 引言 .............................................................. 4 概述 ......................................................... 4 本文要解決的問(wèn)題 ............................................. 6 2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)介 ................................................ 6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi) ............................................... 6 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)原理 ........................................... 8 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi) ..................................... 8 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)理論和特點(diǎn) ................................... 9 3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效分析 .............................................. 9 燃料的燃燒效率 .............................................. 10 燃燒反應(yīng)速率 .......................................... 10 燃燒效率的計(jì)算 ......................................... 11 溫度與平均動(dòng)能的關(guān)系 ........................................ 12 微觀角度分析 .......................................... 12 宏觀角度分析 .......................................... 13 熱機(jī)效率計(jì)算過(guò)程 ............................................ 13 4 火焰筒性能分析 ................................................... 17 火焰筒壁溫的軸向分布 ......................................... 17 火焰筒壁溫的徑向分布 ......................................... 18 5 常用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的材料的性能 ................................... 19 GH3044 的性能 . ............................................... 19 鍛件的高溫持久性能 .................................... 20 材料的高溫拉伸性能 .................................... 20 TiAlSnZrMoTaSiC的性能 ............................... 21 拉伸性能 .............................................. 21 熱穩(wěn)定性 .............................................. 21 蠕變和持久性能 .......................................... 22 BT25y ....................................................... 22 材料在不同溫度條件下的力學(xué)性能 ........................ 22 材料高溫下的拉伸性能 .................................... 23 高溫蠕變性能 ............................................ 24 GH150 ....................................................... 24 合金不同溫度的拉伸性能 .................................. 24 材料的持久性能 ........................................ 25 蠕變性能 .............................................. 26 疲勞性能 .............................................. 26 6 材料使用溫度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱效的影響 ....................... 30 GH3044 效率計(jì) 算 ............................................ 30 7 推重比計(jì)算 ....................................................... 31 8 結(jié)論 ............................................................. 34 參考文獻(xiàn) ............................................................ 35 致謝 ................................................................ 39 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 39 頁(yè) 1 引言 概述 眾所周知，早先的飛機(jī)是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，最快時(shí)速不過(guò)幾十公里，只是在生產(chǎn)出了密度小且具有一定強(qiáng)度的鋁及鋁合金后，飛機(jī)的時(shí)速才得以提高到幾百公里。然而工作溫度并不是可以無(wú)限制的增加，它受到燃燒室（更確切應(yīng)該是火焰筒的材料的高溫性能所限制），因而航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者們開(kāi)始考慮高推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，近年來(lái)隨著燃油的價(jià)格攀升，降低燃油消耗率的呼聲也越來(lái)越大。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 為航空器提供飛行所需動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用期限不盡相同 ,軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一般為100～ 1000 小時(shí)； 民用機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)甚至要求 1 萬(wàn)小時(shí)以上 ,所用材料的組織和性能須保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。 用鑄鋁合金、合金鋼制造的 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī) ，在 1903年裝備了第一架螺旋槳式飛機(jī)。 60年代由于鑄造高溫合金和鈦合金的應(yīng)用和發(fā)展， 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) 得以研制成功。 C，使渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到 8 以上。可以看出我國(guó)目前發(fā)動(dòng)機(jī)的研制水平和世界航空強(qiáng)國(guó)還存在很大的差距。 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī) ，汽缸一般用強(qiáng)度達(dá) 1000 兆帕 (約 100 公斤 /毫米 2)的中碳鉻 鉬 鋁鋼制做 ,以便表面滲氮 ,提高耐磨性和耐蝕性。聯(lián)桿和曲軸用優(yōu)質(zhì)的鉻－鎳合金鋼制造，有耐磨要求的部位還經(jīng)過(guò)滲碳或氮化處理。離心式壓氣機(jī)的葉輪使用高強(qiáng)度鋁合金。低壓轉(zhuǎn)子的輪盤(pán)和葉片用鋼和鋁合金，發(fā)展趨勢(shì)是全部用鈦合金。前機(jī)匣用鋼或鈦合金制造，有的機(jī)匣為了隔音還需要用吸音材料。 C，盡管引入氣流冷卻，燃燒室壁溫一般仍在 900176。為了防止燃?xì)鉀_刷、熱腐蝕和隔熱，常噴涂防護(hù) 涂層 。 C 的燃燒室。制造渦輪葉片和渦輪盤(pán)的材料是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要材料。 C，更高的要求達(dá)到 1930176。正在研制定向單晶、定向共晶、鎢絲增強(qiáng)鎳基合金和陶瓷材料，研制彌散強(qiáng)化鎳基合金和新型粉末渦輪盤(pán)合金，以適應(yīng)更先進(jìn)發(fā) 動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和渦輪盤(pán)的需要 . 自飛機(jī)問(wèn)世至 世紀(jì) 年料主要采用鋼材和鋁材 。由于各部件所處受力等 ,因此 ,其材料的組分也自身的剛度、強(qiáng)度等因素 ,限制的更高要求 ,特別是嚴(yán)重影響高。如何才能提高渦輪前燃?xì)鉁囟?,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力 、推重比等性能 ,人們開(kāi)始尋找一些剛度 、強(qiáng)度較大和耐高溫的材料 ,同時(shí) ,進(jìn)一步探索提高部件耐腐蝕性的新途徑 。此后 ,鎳、欽基材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上所占比重逐年增大 ,在 70 年代末至 80 年代初開(kāi)始中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 39 頁(yè) 超過(guò)鋼材 ,到 90年代初達(dá)到頂峰 ,而后才開(kāi)始減少。國(guó)外研制的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) ,在追求高性能研制思想的指導(dǎo)下 ,突出要求高推重比 、高增壓比和高渦輪前溫度 ,由于材料方面研究 相對(duì)落后 ,造成發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)故障顯著增加 。準(zhǔn)備用于制造加力燃燒室筒、葉片盤(pán)整體結(jié)構(gòu) 、渦輪及尾噴管等部件 。 本文要解決的問(wèn)題 目前， 發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和燃油消耗率是衡量航空噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平和工作能力的綜合性指標(biāo)。另一方面，利用簡(jiǎn)捷、高效的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。因此本文主要就從提高航空發(fā)動(dòng)的推重比來(lái)考慮對(duì)幾種常用的材料性能進(jìn)行一種對(duì)比選擇出一種最佳材料。自從飛機(jī)問(wèn)世以來(lái)的幾十年中，發(fā)動(dòng)機(jī)得到了迅速的發(fā)展，從早期的 低速飛機(jī)上使用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，到可以推動(dòng)飛機(jī)以超音速飛行的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，還有運(yùn)載火箭上可以在外太空工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等，時(shí)至今日，飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)形成了一個(gè)種類(lèi)繁多，用途各不相同的大家族。按發(fā)動(dòng)機(jī)是否須空氣參加工作，飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩類(lèi)，大約如下所示： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 39 頁(yè) 吸空氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，它必須吸進(jìn)空氣作為燃料的氧化劑（助燃劑），所以不能到稠密大氣層之外的空間工作，只能作為航空器的發(fā)動(dòng)機(jī)。如根據(jù)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理的不同，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)又分為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和脈動(dòng)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。它也可用作航空器的助推動(dòng)力。 按產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力的原理不同，飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)又可分為直接反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)、間接反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)兩類(lèi)。直接反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)又叫噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，脈動(dòng)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等。圖 飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)： 圖 飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 39 頁(yè) 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)原理 目前戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)用最普遍的是渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱“渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)”，如上文所說(shuō)，目前中國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的差距也主要體現(xiàn)在該類(lèi)型上。目前推重比為 1012的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)正在研制中。 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi) 如圖 所示，為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及分類(lèi) 分開(kāi)排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) :進(jìn)氣道進(jìn)氣 風(fēng)扇增壓 氣流分為兩股，內(nèi)涵氣流：壓氣機(jī)增壓 燃燒室加熱 渦輪膨脹作功帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī) 內(nèi)涵尾噴管膨脹加速 排氣到體外（如下圖 2），外涵氣流：外涵道 外涵尾噴管膨脹加速 排氣到體外，我們常見(jiàn)的民航客機(jī)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)，多半是分別排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，比如著名的 V2500， PW4000,GE90.... 混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) :根據(jù)加力又可分為加力和不加力的 如上圖 介紹 進(jìn)氣道進(jìn)氣 風(fēng)扇增壓 氣流分為兩股。所以民用噴氣飛機(jī)都是采用的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)理論和特點(diǎn) 質(zhì)量附加原理 :在一定的飛行速度下，當(dāng)工質(zhì)獲得的 可用能量（即可轉(zhuǎn)變成氣體動(dòng)能的能量）一定時(shí)，如果工質(zhì)的質(zhì)量越大，即參加產(chǎn)生推力的質(zhì)量越多，則發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越好，推力越大。 混合排氣 R=ma（ C5 混 V飛） 分開(kāi)排氣 R=（ C5 混 V 飛） +（ C5 混 V 飛） 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇是產(chǎn)生推力的主要部件。熱能的利用率又可繼續(xù)分為卡洛循環(huán)效率和由于材料使用溫度限制，能量損失后的能量的利用率。 有用功關(guān)系式為： ..E Q ???? 卡 損全 （ ） E 為能量的有效利用的那部分內(nèi)能或者說(shuō)用于對(duì)外做功的那部分能量即 E=W，W表示對(duì)外所做的功。 ?損為除去航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料所允許的中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 39 頁(yè) 使用的溫度時(shí)不得不損失掉的熱能的那部分熱能后，而被用來(lái)做有用功的那部分熱能。 燃料的燃燒效率 燃料燃燒反應(yīng)放熱的計(jì)算式： Q Q?? 全 （ ）