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混合排气和分开排气涡扇发动机性能对比研究.rar

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    混合 排气 分开 发动机 性能 对比 研究
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    本科毕业设计(论文)混合排气和分开排气涡扇发动机性能对比研究学生姓名: 文振汉 专 业: 飞行器动力工程 学 号: 120141425 指导教师: 张银波 所属学院: 航空工程学院 二〇一六年六月中国民航大学本科毕业设计(论文)混合排气和分开排气涡扇发动机性能对比研究The Performance Comparison Study of Mixed Exhaust and Separate Exhaust Turbofan Engine学生姓名:文振汉专 业:飞行器动力工程学 号:120141425指导教师:张银波学 院:航空工程学院2016 年 6 月创见性声明本人声明:所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果,论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果,均加以特别标注并在此表示致谢。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。毕业论文作者签名: 签字日期: 年 月 日本科毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计(论文)的规定。特授权中国民航大学可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计(论文)的复印件和磁盘。(保密的毕业论文在解密后适用本授权说明)毕业论文作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘 要大涵道比涡扇发动机已经成为目前民航发动机的主流,涡扇发动机的性能与设计参数和发动机构造有关,对于采用相同的发动机设计参数,排气方案的不同会影响发动机的性能如推力和燃油消耗率等性能指标。发动机的排气方案有两大类:分开排气和混合排气。对于同一设计参数的发动机,不同的排气方案使得发动机的性能有所差别,所以研究发动机排气方案对于航空发动机专业的学生来说是有意义的。设计一款发动机的排气方案时需要大量风洞实验,近些年来计算机数值仿真技术的广泛应用,使得发动机的研究设计更加有效。Gasturb 软件可以计算分析各种发动机的性能参数以及发动机相关部件的性能图像,利用 Gasturb 软件并参考现有发动机的参数进行涡扇发动机混合排气和分开排气两种排气方案的性能对比研究,我们可以得出发动机相关数据、图像如发动机三大特性等,并进一步验证所研究发动机的排气方案并得出结论。关键词:涡扇发动机;混合排气;分开排气;性能;GasturbAbstractHigh bypass ratio turbofan engine has become the mainstream of the current civil aviation engine, the performance of the turbofan engine is associated with design parameters and the engine structure, for the engines with the same design parameters , exhaust scheme can influence the engine performance indicators such as thrust and specific fuel consumption.Engine exhaust scheme has two broad categories: separate exhaust and mixed exhaust.For the same design parameters of the engines, different exhaust scheme makes different engine performance, so studying the engine exhaust scheme is meaningful for students with the major of aviation enigne.When designing an engine exhaust scheme,it needs a large number of wind tunnel experiments,and the computer numerical simulation technology is widely used in recent years, makes the study of engine design more effective.Gasturb software can calculate and analyze engine performance parameters and performance images of engine related parts,by using it and referencing existing engine parameters, we can make a performance contrast research about mixed exhaust and separate exhaust turbofan engines. Relevant data, images such as engine three major characteristics can be analyzed through the software, and we can verify the engine exhaust scheme and conclusion further. Key Words: Turbofan Engine; Mix Exhaust; Separate Exhaust; Performance; GasturbⅠ目 录第 1 章 绪论 ........................................................................................................................11.1 涡轮风扇发动机及其排气方案 ............................................................................11.2 Gasturb 软件介绍 .................................................................................................1第 2 章 涡扇发动机的共同工作与三大特性 ....................................................................32.1 单轴燃气涡轮发动机的共同工作 ........................................................................32.2 双轴燃气涡轮发动机的共同工作 ........................................................................52.3 涡扇发动机分开排气时的共同工作 ....................................................................52.4 涡扇发动机混合排气时的共同工作 ....................................................................62.5 共同工作线的绘制 ................................................................................................72.6 三大特性 ................................................................................................................8第 3 章 Gasturb 软件计算 ................................................................................................103.1 分开排气涡扇发动机的软件计算 ......................................................................103.1.1 设计点计算 ................................................................................................103.1.2 非设计点计算及输出共同工作线 ............................................................153.1.3 发动机特性图及分析 ................................................................................163.2 混合排气涡扇发动机的软件计算 ......................................................................233.2.1 设计点计算 ................................................................................................233.2.2 非设计点计算及输出共同工作线 ............................................................273.2.3 发动机特性图及分析 ................................................................................283.3 两种排气方案的对比分析 ..................................................................................323.3.1 设计点对比分析 ........................................................................................323.3.2 特性曲线对比分析 ....................................................................................33第 4 章 结论 ......................................................................................................................38参考文献 ..............................................................................................................................40致 谢 ..................................................................................................................................41附录:外文翻译资料 ..........................................................................................................42中国民航大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 涡轮风扇发动机及其排气方案涡扇发动机在二十世纪六十年代初期被研发出来,是由进气道,风扇,低压、高压压气机,燃烧室,高压、低压涡轮和喷管组成的。涡扇发动机的内涵道工作状态与涡轮喷气发动机相似,内涵的空气流入通过风扇和低压、高压压气机对气体做功,将空气压缩使其压力增加。高温高压的空气在燃烧室同燃油混合并燃烧,成为高温高压状态的燃气。燃气通过高压涡轮并在其中膨胀使高压涡轮转动并推动高压压气机的转动,然后再低压涡轮中膨胀使低压涡轮转动并推动风扇和低压压气机的转动,最后燃气经过喷管排出,产生反推力,即为发动机内涵的推力。外涵的空气则通过风扇的转动使空气压力和温度增大,之后在外涵通道内膨胀加速排出到大气产生反推力,即为涡扇发动机的外涵部分推力。由于涡扇发动机相比于涡轮喷气发动机所具有的大推力、低巡航消耗率、低噪音等优势,使得涡扇发动机广泛的应用在民航和军用领域,在今天的民航领域占有非常重要的地位。研发并使用高性能和性价比的涡扇发动机是推进民航发展的重要途径。近年来,高涵道比发动机已成为涡扇发动机的主流发动机,高涵道比发动机相比中低涵道比发动机具有较大的外涵推力等性能,研发涡扇发动机的难度也大大增加,需要考虑发动机与飞机的关系,耐久性、可靠性和维修性等等,在研制中需要对不同的结构设计方案和设计参数进行比较,在保证可靠性的情况下,选择高性能、经济性的方案。例如涡扇发动机排气方案有两大类:混合排气和分开排气。混合排气是将内涵和外涵气流通过混合器形成一股气流进行排气的一种排气方案,其结构特点为长外涵通道;分开排气则是不使用混合器将航空发动机的内涵和外涵两股气流分别排到大气的另一种排气方案,其结构特点为短外涵通道。混合排气相比分开排气要考虑通过混合器时候两股气流的充分混合以及混合损失等等。对于相同设计参数的发动机,不同的排气方案使得发动机的性能有所差别,故要对排气方案进行实验并利用数值仿真技术等手段进行分析比较。1.2 Gasturb 软件介绍目前国外有关航空发动机的数值仿真软件有:CCTES、NPSS 系统、Denton 和Dawes 软件、GSP 软件以及本文所用的 Gasturb 软件。Gasturb 软件是一款数值仿真软件,由德国 MTU 公司 Joachim Kurzke 博士研发,在欧洲、南北美洲和亚洲的航空公司、航空发动机制造厂商和航空发动机相关研究机构等单位得到广泛的应用。国内的一些航空航天学校、航空发动机制造厂商等单位也购买了 Gasturb 软件。中国民航大学本科毕业设计论文2Gasturb 12 是 Gasturb 软件的核心计算模块,它提供了多种航空发动机以及燃气轮机的模型如,可以计算和分析各种模型下给定设计参数和非设计点时各类发动机的各种性能并得出相关曲线,如航空涡扇发动机的压气机的共同工作曲线、三大特性曲线等。Gasturb 12 在计算中考虑了气体的变比热,并且还在计算参数中加入了空气系统和发动机功率提取等实际情况,同时也没有忽视高空雷诺数的修正等精确计算中要注意的问题,可实现多种发动机等模型的热力学循环计算或性能分析,还可以得到每个部件的性能参数计算结果。Gasturb 12 软件提供的计算分析模型有:涡扇发动机(混合排气、分开排气) ,涡喷发动机(单轴、双轴) ,涡桨发动机(单轴、双轴、三轴) ,涡轴发动机(单轴、自由涡轮) ,冲压发动机,单轴燃机(带回热、带二次燃烧) ,双轴燃机(自由涡轮驱动低压压气机、高压涡轮驱动高压压气机、带回热、带二次燃烧) ,三轴燃机(带级间冷却) 。Gasturb 12 设计点分析的计算功能有:单点输入的性能计算,单、双参数的性能分析,单一目标参数的优化,参数小幅度改变分析和蒙特卡罗法。单点输入的性能计算是指用户输入指定参数后,程序运行检查参数可行后得到该模型的热力学性能。单、双参数的性能分析是指经过单点输入性能计算得到结果后,分析某一个参数的的变化对该模型性能的改变,最多允许一起分析两个参数的改变对该模型的影响。Gasturb 12 提供给用户了许多轴向流动、离心式压气机和轴向流动、向心式涡轮的通用图特性,可以进行非设计点性能的分析和预测。非设计点分析计算的功能有:单点输入的性能分析,共同工作线分析,非设计点的参数变化对性能的影响分析,参数小幅度改变分析,飞行包线分析,蒙特卡罗法,过渡状态的分析等。中国民航大学本科毕业设计论文3第 2 章 涡扇发动机的共同工作与三大特性2.1 单轴燃气涡轮发动机的共同工作绪论已介绍过涡扇发动机大致的工作原理,涡扇发动机把风扇、低压压气机、低压涡轮作为低压转子,其转动速度作为称为 N1;把高压压气机和高压涡轮作为高压转子,其转动速度称为 N2。发动机的共同工作指的是压气机和涡轮的共同工作,对于涡扇发动机就是低压转子和高压转子的共同工作。涡扇发动机根据转子转动状态将其工作状态分为稳态和过渡态。所谓稳态是指发动机在某一转速下连续工作的状态,或者说是发动机的转速不随时间而变化的工作状态;过渡态是指发动机从某一转速变到另一转速下工作状态的总和 [1] 。本文只对稳态工作状态下的发动机分析和研究。涡扇发动机是双轴发动机,而双轴发动机的高压转子共同工作与单轴发动机的共同工作相似。一般民用航空发动机的进气道和喷管面积都不可调 [2],以下分析和研究的发动机只考虑进气道和喷管面积都不可调的情况。我们先分析单轴发动机的共同工作。单轴燃气涡轮发动机共同工作时的制约条件:(1) 压气机和涡轮的转速一致:(2-1) 𝑁ℎ𝐶=𝑁ℎ𝑇其中, 。𝑁ℎ𝐶为 高 压压 气机 转 速, 𝑁ℎ𝑇为 高 压涡轮转 速(2) 流量平衡:(2-2)𝑊𝑚,𝑔=𝑊𝑚,𝑎+𝑊𝑚,𝑓-𝑊𝑚,𝑐𝑜𝑙其中, 为流经涡轮的燃气流量, 为燃烧室𝑊𝑚𝑔 𝑊𝑚,𝑎为 流 经压 气机的空气流量, 𝑊𝑚,𝑓提供的燃油流量, 。 和 相比 较小,可𝑊𝑚,𝑐𝑜𝑙为 引气引出的空气流量 𝑊𝑚,𝑐𝑜𝑙𝑊𝑚,𝑓𝑊𝑚,𝑎忽略不计。故式(2-2)变为:(2-3)𝑊𝑚,𝑔=𝑊𝑚,𝑎用气动函数表示(2-3)式:(2-4)𝐴2𝐾𝑃𝑡2𝑇𝑡2𝑞(𝜆2)=𝐴𝑛𝑏𝐾𝑔𝑃𝑡,𝑛𝑏𝑇𝑡,𝑛𝑏𝑞(𝜆𝑛𝑏)其中, 为常数, 为涡轮导向器喉部的 , 为压气机进口处的截面积,𝐾,𝐾𝑔 𝑞(𝜆𝑛𝑏) 𝑞(𝜆) 𝐴2为涡轮导向器的喉部截面积, 为压气机进口总温, 为涡轮进口的总温,𝐴𝑛𝑏 𝑇𝑡2 𝑇𝑡4
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