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第 4 章 发动机特性
刘成英
4.1 涡轮喷气发动机
4.1.1 稳定状态下的联合运行（单转子发动机）
稳定状态：发动机以一定的转速连续运转。
稳定状态下的常见工作情况：
（1）保持车速一致
（2）连续流
（3）压力平衡
（4）权力平衡
4.1.2 过渡时期的联合工作
剩余电量
过渡状态：启动、加速、减速
剩余功率=涡轮机功率-压缩机功率
改变燃料供应
改变涡轮前的温度会改变涡轮功率
改变发动机转速
加速度：以加速时间来衡量。
加速时间：由低速加速到最大速度或某一高速度的时间。
加速限制：压缩机喘振、涡轮过热、燃烧室浓熄火、超速限制
减速过程限制：稀薄熄火限制
4.1.3 发动机特性
民航发动机常见工况：最大起飞工况
最大连续工作状态
最大巡航工作状态
缓慢工作状态
飞机喷水解释：
在航空燃气涡轮发动机中，液体喷射（水、水和甲醇或水和乙醇混合物）用于增压的解决方案
一些发动机也使用这种技术。液体喷洒在压缩机入口处，液体蒸发并吸收热量，降低温度，使压缩机
提高了效率，增加了质量流量，在保持涡轮进口温度不变的情况下，可以增加发动机推力。
在燃烧室入口处喷入液体，使通过涡轮的质量流量大于压缩机的质量流量，这样可以减少涡轮
压力下降和温度下降使得尾喷管内的压力增加，从而获得额外的推力。
通过相应增加室内的燃料供应，或在燃烧室内燃烧混合气中的甲醇或乙醇，可以进一步增加推力。
在超音速飞机的发动机中，如果将液体喷入进气道，可以显著增加推力，因此这种方案被广泛应用于
液压增压方案只能有限地增加推力，并且需要特殊的辅助
它是一个系统，所以一般只在一些民用飞机上采用，以增加高原高温机场的起飞推力，提高飞行性能。
飞机的起飞性能。
注水可使附加推力增加30%。推力的增加不仅是由于冷却、增加压比和流量，还
又由于水蒸气的气体常数较大（约为463N.m/kg.K），也使单位推力增大，但由于发动机内有水
水在发动机内的停留时间很短，只有一部分被蒸发，水对压缩机叶片有腐蚀作用，导致发动机性能下降。
在某些情况下，压缩机壳体可能会因水冷而被移动叶片卡住。
如果在压缩机入口处喷水，可能会造成结冰，如果在燃烧室入口处喷水，则可以避免上述缺点。
但推力增加不如前者，燃烧室内水的蒸发使燃气流量增加，但由于导向器的限制，
流体阻力的增加导致压缩机流量减小并向喘振边界移动。压缩机压力比也略有增加。
注入燃烧室的水量受到压缩机喘振裕度的限制。
2. 发动机特性
燃气涡轮发动机性能：
（1）推力（）
（2）燃料消耗率（ion、SFC）
发动机的燃油消耗率是发动机的首要性能指标，体现了发动机的经济性。
低发动机燃油消耗一直是发动机设计和开发的重要目标。
燃油消耗率与涵道比关系最为密切，涵道比越高，燃油消耗率越低。
对于发动机来说，它产生的推力和消耗的燃料量随着不同的运行条件而变化。
条件如何变化是发动机性能的一个重要问题。这些性能包括
速度特性（节流特性）
速度特性
极具特色。
涡轮喷气发动机的转速特性（节流特性）：
燃气涡轮发动机的推力和燃油消耗随发动机转速而变化，在最高转速时推力达到最大值。
随着速度的降低，推力也随之减小；巡航状态下燃油消耗率最低，任何偏离最佳状态的速度都会
燃油消耗率增加
涡轮喷气发动机的高度特性：
在一定的转速和速度条件下，随着飞行高度的增加，由于大气密度的降低，气流减少。
另一方面，由于大气温度随海拔高度（对流层顶以下）升高而下降，因此可以推断
该力随高度单调减小，减小率小于大气密度减小率，在平流层，减小率增大，与大气相似。
空气密度下降率相当。
随着海拔高度的升高，大气温度降低，因此燃料消耗率也相应降低；在平流层，大气温度
燃油消耗率保持不变。
涡喷发动机的转速特性：
发动机推力与飞行速度密切相关，由推力公式可知，当迎风速度
当转速增加时，在排气速度相同的情况下，推力会成比例减小；另一方面，进气速度的增加会
这两种互相矛盾的效应，导致推力先减小，然后增大。
在某个速度下，它达到最大值，然后迅速下降，直至完全没有推力。
随着飞行速度的增加，单位推力减小，因此燃油消耗率不断上升。
-V
,证监会
证监会
4.1.4 双旋翼涡喷发动机
双转子涡喷发动机的优点（参考教科书）
（1）预防哮喘
（2）推力更大
（3）压气机效率提高，透平前总温降低
（4）加速性好
（5）起动器功率较小
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4.2 涡扇发动机
4.2.1工作原理及特点（参考教材）
4.2.2 涡扇发动机特点
速度特点：
双转子涡扇发动机
转速特性（高压转子转速）
速度增加，推力增加，
但当接近最大速度时燃气涡轮发动机的分类，推力
增长越来越慢。
随着速度的增加，燃油消耗率
一开始下降很快，然后下降
慢的。
11
身高特征：
保持发动机转速和飞行速度不变，发动机推力和燃油消耗
该速率随飞行高度变化的规律称为发动机的高度特性。
假设涡轮前的温度保持恒定，
随着飞行高度的增加，空气密度减小。
发动机的空气流量正在减少。
小的。
11000米以下，飞行高度增加
当气温较高时，空气温度下降，风扇转速增加。
内部压缩机的压力比和增压比增大。
增加单位推力，降低涵道比；
海拔11000米以上，大气温度
保持机组推力与涵道比不变，
保持不变，
上述影响推力的三个因素中
在此过程中，气流始终占主导地位。
因此，随着飞行高度的增加，
力量不断减弱。
150
（）（1）
12
燃油消耗率随飞行高度增加而增加
程度变化规律
海拔11000米以下，
主要取决于单位推力
涵道比的增加
减少主导作用；
海拔11000米以上燃气涡轮发动机的分类，
随着高度的增加，
空气温度保持恒定，因此
推力和涵道比保持不变
燃料消耗率也将
保持不变。
五 0
3600
（） （1）
证监会
是
十三
速度特点：
在保持飞行高度和发动机转速不变的情况下，发动机推力和燃油消耗率随飞行速度的变化而变化。
这种变化规律称为发动机的转速特性。
涵道比与飞行速度
变化模式
随着飞行速度的增加
增加涵道比
持续增加
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涡扇发动机的推力随飞行而变化
速度变化规律
推力变化取决于涵道比，
气流和比推力
单位推力随飞行速度增加
涵道比增大，空气
流量增加，但涵道比和空气
流量提升不如单位推力
下降幅度很大。
随着速度的增加，推力会减小，尤其是
特别是大涵道比涡扇发动机，
发动机的推力随着飞行速度的变化而变化。
推力的增加总是在减少，
履带比越大，推力下降越快。
1 5 0
（ ）（1 ）
FG cc Y
15
飞行速度下的燃油消耗率
变化模式
随着飞行速度的增加
低涵道比发动机
机器缓慢上升；高涵道比
发动机升速更快
涡扇发动机，尤其是
高涵道比涡扇发动机，
不适合高速飞行
力装置，因为它的速度
特質較差。
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4.3 涡轮螺旋桨发动机
1 工作原理及结构特点
2 主要性能参数
3 涡轮螺旋桨发动机运行特性
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涡轮螺旋桨发动机
它由一台燃气涡轮发动机和螺旋桨以及它们之间设置的减速器组成。
涡轮螺旋桨发动机的工作原理
• 螺旋桨产生推力
• 气体流过发动机，产生反作用推力
在较低飞行速度下，它具有更高的推进效率，因此在低亚音速飞行中更有效。
经济表现更好
适用于低空低速运输机、民用飞机
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4.3.1 工作原理及结构特点
当涡轮喷气发动机的基本部件（通常称为燃气发生器）
废气用来旋转所附的涡轮机，涡轮机通过减速器驱动螺杆。
螺旋桨，这是涡轮螺旋桨发动机
直接驱动涡轮螺旋桨发动机：附加动力直接来自压缩机
发动机传动轴带动螺旋桨减速器。
自由涡轮驱动：现代涡轮螺旋桨发动机更多
有一个自由涡轮，它独立于驱动压缩机的涡轮。
自由涡轮轴在发动机废气流中自由旋转。
驱动螺旋桨。
19
20
目前使用的涡轮螺旋桨发动机有三种类型：
单轴——压缩机和螺旋桨由一个轴驱动；
双轴——一个涡轮轴驱动部分压缩机级，另一个涡轮轴驱动剩余的压缩机级。
发动机和螺旋桨；
双轴涡轮机——一个涡轮机驱动压缩机，另一个涡轮机驱动螺旋桨。
单独的涡轮会使发动机结构复杂化，但压气机和螺旋桨的转速可以分别调节。
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当前使用的涡轮螺旋桨发动机有三个杠杆：
许多涡轮螺旋桨发动机属于自由涡轮类型。
在这种类型的发动机中，基本发动机主要作为气体发生器来完成驱动
在发动机废气流中自由旋转的涡轮。
自由涡轮通过减速器带动螺旋桨转动。
PT6分别由动力控制杆和螺旋桨控制杆控制。
系统控制。
第三个杆称为启动控制杆，用于选择高低速范围以及在怠速时切断燃料。
供给停止发动机。
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自由涡轮涡桨发动机的另一种结构形式是空气和燃气的流动方向是从后向
这种结构提供了极大的设计灵活性，发动机拥有两个独立的反向旋转涡轮。
一个涡轮带动压气机，另一个涡轮通过减速器带动螺旋桨。
该机的压缩机由3级轴流压缩机和1级离心压缩机组成，安装在同一
在轴上。
23
24
二十五
涡轮螺旋桨发动机的优点：
涡轮螺旋桨发动机结合了涡轮喷气发动机的优点和螺旋桨的推进效率。
速度。
涡轮喷气发动机通过快速加速相对较小的空气质量来产生推力。
涡轮螺旋桨发动机对相对较大的空气施加较小的加速度来产生推力。
给出一个小的
到大面积的空气中。
喷气发动机发出巨大的
到一小撮空气。
二十六
涡轮螺旋桨发动机的工作特点：
涡轮螺旋桨发动机的涡轮同时驱动压缩机和螺旋桨。
涡轮机功率的约2/3用于旋转压缩机，剩余的1/3用于旋转螺旋桨和传动装置。
移动附件。
涡轮螺旋桨发动机的推力大部分是由螺旋桨产生的，只有10-15%是由喷气产生的。
为了降低油耗，往往采用增压压力比较高的压缩机。
推力是由前部的螺旋桨和后部的喷管组合产生的。
涡轮螺旋桨发动机的涡轮机旨在从膨胀气体中提取大量能量，不仅提供所需的压力，而且还
发动机及其他附件所需的功率，并向螺旋桨轴输出最大可能的扭矩。
平衡条件为：N
=N
+N
二十七
等效轴功率、等效油耗：
螺旋桨功率是指轴功率与喷气推力相加产生的推进功率。
总和就是螺旋桨产生的功率。
当涡桨发动机在试验台上工作时（V=0），螺旋桨
rate = 0，等效功率采用以下经验公式计算
公式中的 N
（KW）和 F
（KN）是在 V = 0 时测量的螺旋桨轴功率
和反作用推力。
EB
足球俱乐部
神经网络
68.2
EB
NNF
二十八
生产单位当量功率一小时所消耗的燃料
这个质量叫做等效燃料消耗量。
3600
3600
ff
亚科
GG
格力格力
二十九
4.3.2 涡轮螺旋桨发动机特性
涡桨发动机的等效功率和等效油耗随发动机的不同而变化
转速、飞行高度和飞行速度的变化规律称为涡轮螺旋桨发动机的特性。
性别。
涡桨发动机特性分为
速度特性
身高特征
速度特性
三十
速度特性：在飞行高度和速度不变的情况下，涡轮螺旋桨
发动机的等效功率和等效油耗随发动机转速变化的规律叫涡轮
螺旋桨发动机的转速特性。
高度特性：保持发动机转速和飞行速度不变，涡轮螺旋桨
螺旋桨发动机的等效功率与等效燃料消耗率随飞行高度的变化规律称为涡轮螺旋桨发动机。
螺旋桨发动机的高度特性。
速度特性：当发动机转速和飞行高度不变时，涡轮螺旋桨
发动机等效功率和等效燃油消耗量随飞行速度变化的规律叫涡轮螺旋桨发动机
发动机的转速特性。
31
三十二
涡轮螺旋桨发动机控制
燃料控制：
• 涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机燃油控制器接受飞行员的
功率需求信号，控制器考虑一些变量并调整燃料
油流提供所需的动力，且不超过发动机转速
以及涡轮入口温度限制。
• 涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机的控制系统还有额外的任务，
它必须控制螺旋桨的速度或自由涡轮的速度。
它还控制螺旋桨叶片的角度。
33
PT6 由
操纵杆和螺钉
拨片控制杆
受控引擎
和螺旋桨控制
系统控制。
第三极，称为
启动控制杆
用于慢车选择
选择高速和低速范围
限制和切断燃料
供给引擎
停車處
三十四
涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨大多为恒速螺旋桨。
维持恒定的螺旋桨速度是通过螺旋桨调速器来感应螺旋桨速度的。
或自由涡轮转速，通过改变螺旋桨叶片角度，即增加螺距，
减少螺距并改变负载以保持恒定的螺旋桨转速。
涡轮螺旋桨发动机燃油控制器具有最大速度限制器和排气温度限制器。
扭矩限制器
三十五
4.4 涡轴发动机
4.4.1：气体发生器和自由涡轮机
燃气发生器中驱动压缩机的涡轮称为压缩机涡轮。
后面的为动力涡轮，如果它与前面的涡轮没有机械连接船舶物资，就称为自由涡轮。
自由涡轮通过输出轴输出动力，再经过减速器（通常是内减速器和主减速器）。
旋翼由尾桨减速器以低转速大扭矩驱动，少部分功率通过尾桨减速器驱动尾桨。
该型涡轴发动机具有以下优点：
1、研发比较方便，前、后部可以分开开发，特别是利用现成的涡轮机。
喷气发动机改造更为有利；
2 启动时只驱动气体发电机，因此所需的启动功率相对较小
3自由涡轮的运行对燃气发生器的运行影响不大。
相对稳定；
三十六
4、气体发生器与转子采用不同的转速运转，更有利于各自选择合适的转速。
注意：
发动机转子转速必须先经减速器降低，才能驱动转子。
通过改变旋翼转速和旋翼叶片，可以调整直升机不同飞行状态所需的不同功率。
距离实现还有一段距离。
旋翼叶片很大，必须先通过减速器将发动机转子转速降低，然后才能带动旋翼。
转子转速的变化带来离心力的巨大变化。希望转子转速恒定，自由涡轮
驱动转子将会非常方便。
转子的恒定转速就是自由涡轮机的恒定转速，而功率的变化则取决于螺距的变化，从而相应地改变燃气发生器。
达到发电机转速。
三十七
4.4.2 功率匹配及转矩限制
大多数直升机使用多个发动机驱动一个公共旋翼。
所以我们希望每台发动机的输出功率是相同的，也就是动力匹配，这对于直接
升力强度有优势。
最大匹配原则：如果使用两台发动机，则两台发动机的扭矩
输出扭矩大的发动机保持不变船舶柴油机配件，输出扭矩小的发动机
燃油流量将会增加，从而增加输出扭矩，直到等于扭矩更大的发动机的扭矩。
这称为匹配最大原理，它可以防止扭矩负载分配电路
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