噴氣推進基礎與應用（簡體書）

目錄
譯者序
序言
前言
**篇循環分析
第1章緒論3
1.1推進設備和葉輪機械發展簡史3
1.2循環9
1.2.1布雷頓循環9
1.2.2回熱布雷頓循環11
1.2.3間冷布雷頓循環11
1.2.4聯合循環12
1.3發動機分類13
1.3.1衝壓發動機13
1.3.2渦噴發動機14
1.3.3含加力燃燒室的渦噴發動機16
1.3.4渦扇發動機17
1.3.5含加力燃燒室的渦扇發動機21
1.3.6渦槳發動機23
1.3.7槳扇發動機24
1.3.8渦軸發動機24
1.3.9燃氣輪機25
1.3.10發動機類型間比較28
1.4發動機推力29
1.4.1渦噴發動機29
1.4.2分開排氣渦扇發動機31
1.4.3渦槳發動機34
1.5性能衡量指標34
1.5.1推力衡量指標34
1.5.2動力裝置衡量指標35
1.6小結35
習題37
第2章理想循環分析39
2.1引言39
2.2部件40
2.2.1進氣道41
2.2.2壓氣機43
2.2.3風扇44
2.2.4渦輪45
2.2.5螺旋槳47
2.2.6傳動軸48
2.2.7主燃燒室49
2.2.8加力燃燒室51
2.2.9尾噴管52
2.2.10外涵噴管54
2.2.11外涵道55
2.2.12混合室56
2.2.13燃氣輪機排氣裝置57
2.3循環分析58
2.3.1衝壓發動機58
2.3.2渦噴發動機65
2.3.3渦扇發動機78
2.3.4渦槳發動機101
2.3.5燃氣輪機107
2.4小結112
習題114
第3章非理想循環分析119
3.1引言119
3.2部件損失120
3.2.1進氣道120
3.2.2壓氣機121
3.2.3風扇125
3.2.4渦輪126
3.2.5螺旋槳127
3.2.6傳動軸128
3.2.7主燃燒室129
3.2.8加力燃燒室130
3.2.9尾噴管131
3.2.10外涵噴管134
3.2.11外涵道135
3.2.12混合室136
3.2.13燃氣輪機排氣裝置137
3.2.14非理想效應總結與部件級簡化參數模型138
3.3循環分析138
3.3.1一般性方法138
3.3.2示例139
3.4初步設計時循環分析的使用167
3.5小結168
習題169
第二篇部件分析
第4章進氣道187
4.1引言187
4.2亞聲速188
4.2.1外流特性188
4.2.2壓升限制189
4.2.3法諾流191
4.2.4變截面摩擦管流192
4.3超聲速193
4.3.1激波193
4.3.2內部面積分析201
4.3.3附加阻力205
4.3.4進氣道的“起動”208
4.4特性圖211
4.5小結212
習題213
第5章噴管218
5.1引言218
5.2非理想條件方程218
5.2.1尾噴管218
5.2.2外涵噴管219
5.2.3噴管效率對性能的影響220
5.3收斂噴管221
5.4收-擴噴管221
5.5壓比對發動機性能的影響229
5.6可調噴管231
5.7特性圖233
5.7.1量綱分析233
5.7.2趨勢234
5.8反推力裝置與矢量推力238
5.8.1反推力裝置238
5.8.2矢量推力240
5.9小結240
習題242
第6章軸流式壓氣機和風扇246
6.1引言246
6.2幾何結構247
6.3速度多邊形或速度三角形252
6.4單級能量分析255
6.4.1總壓比256
6.4.2反力度256
6.4.3不可壓縮氣流256
6.4.4速度三角形與反力度和壓比之間的關係257
6.5特性圖268
6.5.1量綱分析268
6.5.2趨勢269
6.5.3實驗數據270
6.5.4特性圖規則271
6.5.5喘振控制273
6.6級壓比限制273
6.7可調靜子276
6.7.1理論分析276
6.7.2調節機構278
6.8雙轉子壓氣機280
6.8.1理論分析280
6.8.2雙轉子機械結構281
6.8.3三轉子結構282
6.9徑向平衡283
6.9.1微分分析283
6.9.2自由渦流284
6.9.3等反力度285
6.10流線分析方法287
6.10.1流場幾何學288
6.10.2工作方程288
6.11壓氣機的級特性297
6.11.1速度三角形298
6.11.2升力系數與阻力系數301
6.11.3力305
6.11.4葉片負載與性能之間的關係306
6.11.5參數效應308
6.11.6葉柵數據使用經驗311
6.11.7其他經驗315
6.11.8一般方法的使用318
6.12小結319
習題321
第7章離心式壓氣機333
7.1引言333
7.2幾何結構334
7.3速度多邊形或速度三角形336
7.4單級能量分析338
7.4.1總壓比339
7.4.2不可壓縮氣流(液壓泵)339
7.4.3滑移340
7.4.4速度三角形與壓比的關係343
7.5特性圖347
7.5.1量綱分析347
7.5.2特性圖規則348
7.6葉輪幾何設計349
7.6.1葉輪入口直徑349
7.6.2基本葉型349
7.6.3葉片應力350
7.6.4葉片數350
7.6.5葉片設計351
7.7擴壓器351
7.8小結353
習題354
第8章軸流式渦輪360
8.1引言360
8.2幾何結構361
8.2.1外形構造361
8.2.2與軸流式壓氣機的比較363
8.3速度多邊形或速度三角形366
8.4單級能量分析370
8.4.1總壓比370
8.4.2反力度371
8.4.3不可壓縮流體(水輪機)371
8.4.4速度三角形與反力度和性能之間的關係372
8.5特性圖378
8.5.1量綱分析378
8.5.2特性圖規則378
8.6轉子和靜子葉片的熱限制379
8.6.1葉片冷卻381
8.6.2轉子和靜子葉片材料383
8.6.3轉子和靜子葉片制造384
8.7流線分析方法385
8.8小結385
習題387
第9章主燃燒室和加力燃燒室390
9.1引言390
9.2幾何結構391
9.2.1主燃燒室391
9.2.2加力燃燒室395
9.3火焰穩定、點火與發動機起動396
9.3.1火焰穩定396
9.3.2點火與發動機起動397
9.4絕熱火焰溫度398
9.4.1化學分析398
9.4.2熱力學分析399
9.5壓力損失404
9.5.1瑞利線流404
9.5.2法諾流405
9.5.3摩擦與加熱管流406
9.5.4有阻力的流動407
9.6特性圖409
9.6.1量綱分析409
9.6.2趨勢411
9.7燃油類型與性質411
9.8小結413
習題414
第10章涵道和混合室417
10.1引言417
10.2總壓損失417
10.2.1法諾流418
10.2.2混合過程418
10.2.3含阻力物體的氣流421
10.3小結423
習題424
第三篇系統匹配與分析
第11章燃氣渦輪發動機部件匹配427
11.1引言427
11.2部件匹配428
11.2.1燃氣發生器428
11.2.2噴氣式發動機430
11.2.3燃氣輪機431
11.2.4部件建模433
11.2.5匹配問題解析437
11.2.6其他應用444
11.2.7動態響應(暫態響應)444
11.3發動機和飛機的匹配452
11.4第二設計階段中匹配和循環分析的使用454
11.5小結455
習題457
第四篇附錄
附錄A標準大氣467
附錄B等熵氣流表470
附錄C法諾線氣流表493
附錄D瑞利線氣流表505
附錄E正激波氣流表517
附錄F常用單位換算表535
附錄G迭代算法簡述538
G.1引言538
G.2試位法538
G.3逐次代換法542
附錄H一維可壓縮氣流544
H.1引言544
H.2理想氣體方程和滯止參數544
H.3可變比熱容546
H.4變截面等熵流動549
H.5法諾流550
H.6瑞利線流551
H.7正激波552
H.8平面斜激波554
H.9含阻力物體的氣流557
H.10混合過程558
H.11廣義一維可壓縮氣流560
H.12變截面摩擦管流562
H.13摩擦與加熱管流562
H.14變截面摩擦與加熱管流563
附錄I燃氣渦輪基礎565
I.1引言565
I.2單級能量分析565
I.2.1總壓比566
I.2.2反力度569
I.2.3不可壓縮氣流570
I.3相似理論571
部分習題答案574
參考文獻578
索引584

**篇 循環分析
GE90-94B發動機
第1章緒論
1.1 推進設備和葉輪機械發展簡史
人造推進設備的存在歷史已經有好幾個世紀了，這些設備也在隨時間逐步演進。大部分現代發動機和燃氣輪機都有共同的組成部分：壓氣機和渦輪或葉輪機械。本章在討論現代發動機之前會介紹一些早期的葉輪機械和推進設備，也包括一些與葉輪機械或推進系統無關但也是比較有名的設備。這些人造設備中，很多是經過反復試驗之後設計出來的，它們代表了人類在工程設計中的早期嘗試，其中很多在當時是非常精致的。 Wilson(1982)、 Billington(1996)、ASME(1997)、Engeda(1998)、St. Peter(1999)等都結合圖片對這一歷史進程做了精彩的描述。
人類歷史上最早的葉輪機械之一是 Heron(通常被稱為“希羅”)設計的汽轉球，如圖 1.1所示。這一設施設計於約公元前 100年。它由一個充滿水的充氣室驅動，其中的水被加熱到沸騰狀態，通過導管將蒸汽引到一個固定在中空軸上的球內。在球上相對的兩個位置設有兩個排氣裝置，這兩個排氣裝置指向相反，引導高速蒸汽產生力矩，帶動球體繞軸旋轉——這本質上是一個反作用機器。如果將一根繩子與旋轉軸相連， Heron就可以用它來完成開啟廟宇大門之類的工作。
大約在公元 1232年，中國的萬戶( Wan Hu)設計和測試了火箭橇——這種火箭橇用一種原始的固體推進火箭移動。萬戶把燃料放在一個容器內燃燒，產生的熾熱氣體通過一個噴嘴高速排出，從而產生推力。不幸的是，萬戶最後在他的試驗中犧牲，這也是史上記載的最早死於推進設備的事件。
達 芬奇也在葉輪機械領域做出過貢獻—— 1500年，他設計了旋轉式煙囪帽。達 芬奇在煙囪中安裝了一個渦輪，利用上升熱氣流的自由對流來驅動渦輪上一系列葉片轉動，然後這種旋轉運動通過一組齒輪帶動在火焰上的火雞。如此火雞被自動烤制。與此同時，達 芬奇還設計了由一個大螺旋槳產生升力的概念直升機。
從 Robert Hooke和一些其他人的構想開始，從 17~19世紀，荷蘭人將風車廣泛地用於抽水磨坊裡(圖 1.2)——本質上是一種大的風力渦輪。這些巨大的風力渦輪(通常直徑大於 50m)將平原地帶強勁而穩定的風力資源轉換為低速的旋轉運動——通過一系列木質斜齒輪和耦合機構後，將扭轉功率轉化成地面上的可用功率。在荷蘭早期的抽水與磨坊中，通常可見一個倒轉的水輪——水輪上的水腔將水從低處推到一個更高的位置，再在高處將水傾倒到用堤壩隔攔的地方——如此便可將洪水從海平面以下的陸地中抽取出來。
圖 1.1 公元前 100年 Heron設計的汽轉球
圖 1.2 荷蘭風車【R. Flack攝】
1629年，Giovanni de Branca設計了一個燃氣渦輪——早期的衝擊式渦輪。 Branca在一個增壓容器裡將水煮沸，沸騰的蒸汽通過一個噴嘴噴出，產生高速蒸汽可以驅動一根軸上的一系列輻射狀葉片。然後通過一系列的斜齒輪來傳遞扭矩並驅動機械設備。
1687年，艾薩克 牛頓爵士設計了蒸汽四輪運貨馬車——可被視為早期汽車。他在四輪馬車上安置了一個火爐，用來持續煮沸水箱中的水，然後用一個噴嘴來引導蒸汽以產生推力。通過調整火力、噴嘴上的閥門以及噴嘴方向，就可以調整排汽速度、推力大小和推力方向。盡管這一概念可行，但是要想獲取可觀的車速，所需功率遠超過當時能夠提供的功率，這一想法最終被遺棄。
1689年，Denis Papin在一個渦螺設計中首次提出了關於泵輪的科學構想。盡管早在公元 4世紀就有木質離心泵， 1754年，在數學和流體力學領域均有深厚造詣的 Leonhard Euler進一步推進了與泵相關的領域，因此今天我們把理想泵性能稱為“歐拉水頭”。1818年，美國人生產了**個商用的離心泵。
1730年，Garonne設計了一個水驅磨粉機。這個磨粉機是較早使用的水輪(或水輪機)。 Garonne將水壩流下的水引導到一系列圓錐形的葉片上(葉輪)，利用這些高靜壓頭的水轉動葉輪。旋轉軸帶動渦輪上面的磨碎機磨粉。 1882年，Wisconsin在實際中采用相同的理念，利用徑流式水輪機帶動發電機發電。
Gifford是成功利用受控推進設備驅動飛機的**人。 1851年，他利用一個汽輪機來帶動一個螺旋槳推動飛機。但是由於全部負載所需功率明顯太大——受限於發動機尺寸、燃燒室燃料量、沸騰用的水量——最終這一想法不可行。
1883年，Carl de Laval設計了所謂的“ Hero”反作用渦輪，如圖 1.3所示。這實際上是早期使用的水力渦輪。水從中空管中流過，在水管尾端形成了高速噴射流，進而繞中間軸旋轉。這也是旋轉噴水頭的基本原型——將水體的內能轉換成繞旋轉軸轉動的動能。
另一個例子是 1897年 Laval設計的衝擊式汽輪機(圖 1.4)。該裝置利用蒸汽的反推力推動固定在一個旋轉軸上的葉片。高速蒸汽撞擊到葉片上後改變方向，在葉片上進行動量交換，從而推動旋轉軸，對外提供力矩。
圖 1.3 Laval設計的“Hero”反作用渦輪
圖 1.4 Laval設計的衝擊式汽輪機
接下來的 25年裡，人類在渦輪動力裝置領域取得了快速的進步。燃氣渦輪和蒸汽渦輪在船舶和發電領域開始廣泛應用。例如， 1891年，Charles Parsons研發了世界上**臺蒸汽渦輪——現代燃氣渦輪的前身。該葉輪機包括兩個獨立的部件：蒸汽發生器(燃燒室)和渦輪。蒸汽發生器產生高壓氣流，高速噴射到渦輪上。 19世紀初，Richard Trevithick和其他人發明了船舶用推進器或螺旋槳，這本身也是一種渦輪機構。 Parson發明的蒸汽渦輪功率可達 2100hp(1570kW)，1879年，它被用來直接驅動一個 100ft(30.5m)長的遠洋船舶，速度達 34kn，在那個大多數交通工具運行速度都很慢的年代裡，這是一項非常了不起的成就。
1912年，在芝加哥，一個多達 64級的大型蒸汽渦輪開始裝機，當時運轉速度為 750r/min，能輸出高達 25MW的電功率。 20世紀 20年代，通用電氣已經有多款 40MW級別的蒸汽渦輪投入使用。它們的運轉速度為 1800r/min，擁有 19級。盡管從那個時候開始，該領域從未停止改良和進步，在現今全世界很多發電廠中仍在使用這些設備，但是其設計仍然基本相同。
20世紀 30年代，英國人和德國人幾乎同時而獨立地展開了燃氣渦輪的研究，並取得了極大進展。1930年，英國的弗蘭克 惠特爾爵士獲得了現代推進燃氣渦輪的專利(圖 1.5)。這一發動機轉速約 18000r/min，能產生高達 1000lbf(4450N)的推力。它包含一個離心式壓氣機和一個回流式燃燒室——燃燒室中的氣流方向與整機的氣流流向相反——現今在很多需要節省空間的小型發動機中仍采用這種設計理念。經過多年改進， 1941年，該發動機在飛機上應用。這一早期的進展由 Meher-Homji發現(1997年)； Dunham回顧了 Howell的貢獻——Howell也是英國人，他完善了惠特爾的研究工作。
圖 1.5 惠特爾設計的 WU1噴氣發動機【圖片來源於 Lloyd[1945]圖 105，經機械工程師協會理事會授權使用】
1939年，德國人首次在飛行中使用了燃氣渦輪。漢斯 馮 奧海因在 1936年獲得了這款飛機發動機的專利授權，如圖 1.6所示。該發動機能產生 1100lbf(4890N)的推力，它包括軸流和離心組合式壓氣機。總體來講，德國人設計的渦輪以及之後的改進型發動機在效率和耐用性上比他們的英國同行更勝一籌。僅僅幾年之後，德國人 Anselm Franz設計的 Junkers Jumo 004型發動機是**個批量生產的燃氣渦輪發動機，見圖 1.7。Meher-Homji (1996，1997b，1999)對這些早年的進展做了饒有興致的回顧。其他有關葉輪機械和推進系統的歷史性回顧包括 Heppenheimer(1993)、St. Peter(1999)和 Wilson(1982)等。現在，惠特
圖 1.6 奧海因設計的噴氣發動機【.德意志博物館波恩攝影師 Hans-Jochum Becker】