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航空、航天

喷气推进基础与应用

作者：（美）罗纳德·D.弗莱克克著；周文祥等译

出版社：科学出版社出版时间：2021-06-01

开本：其他页数： 608

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节选

喷气推进基础与应用版权信息

ISBN：9787030687913
条形码：9787030687913 ; 978-7-03-068791-3
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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航空、航天

喷气推进基础与应用内容简介

本书是关于喷气式发动机和燃气涡轮发动机基本原理的著作。全书从热力学循环分析、部件分析以及系统匹配与分析三个方面全面阐述了喷气推进技术。本书在编排过程中尽量避免对复杂公式的推导，而是以通俗易懂的语言，并结合大量的计算实例来阐述发动机和部件的设计、迭代过程以及参数之间的相互影响关系。

喷气推进基础与应用目录

目录
译者序
序言
前言
**篇循环分析
第1章绪论3
1.1推进设备和叶轮机械发展简史3
1.2循环9
1.2.1布雷顿循环9
1.2.2回热布雷顿循环11
1.2.3间冷布雷顿循环11
1.2.4联合循环12
1.3发动机分类13
1.3.1冲压发动机13
1.3.2涡喷发动机14
1.3.3含加力燃烧室的涡喷发动机16
1.3.4涡扇发动机17
1.3.5含加力燃烧室的涡扇发动机21
1.3.6涡桨发动机23
1.3.7桨扇发动机24
1.3.8涡轴发动机24
1.3.9燃气轮机25
1.3.10发动机类型间比较28
1.4发动机推力29
1.4.1涡喷发动机29
1.4.2分开排气涡扇发动机31
1.4.3涡桨发动机34
1.5性能衡量指标34
1.5.1推力衡量指标34
1.5.2动力装置衡量指标35
1.6小结35
习题37
第2章理想循环分析39
2.1引言39
2.2部件40
2.2.1进气道41
2.2.2压气机43
2.2.3风扇44
2.2.4涡轮45
2.2.5螺旋桨47
2.2.6传动轴48
2.2.7主燃烧室49
2.2.8加力燃烧室51
2.2.9尾喷管52
2.2.10外涵喷管54
2.2.11外涵道55
2.2.12混合室56
2.2.13燃气轮机排气装置57
2.3循环分析58
2.3.1冲压发动机58
2.3.2涡喷发动机65
2.3.3涡扇发动机78
2.3.4涡桨发动机101
2.3.5燃气轮机107
2.4小结112
习题114
第3章非理想循环分析119
3.1引言119
3.2部件损失120
3.2.1进气道120
3.2.2压气机121
3.2.3风扇125
3.2.4涡轮126
3.2.5螺旋桨127
3.2.6传动轴128
3.2.7主燃烧室129
3.2.8加力燃烧室130
3.2.9尾喷管131
3.2.10外涵喷管134
3.2.11外涵道135
3.2.12混合室136
3.2.13燃气轮机排气装置137
3.2.14非理想效应总结与部件级简化参数模型138
3.3循环分析138
3.3.1一般性方法138
3.3.2示例139
3.4初步设计时循环分析的使用167
3.5小结168
习题169
第二篇部件分析
第4章进气道187
4.1引言187
4.2亚声速188
4.2.1外流特性188
4.2.2压升限制189
4.2.3法诺流191
4.2.4变截面摩擦管流192
4.3超声速193
4.3.1激波193
4.3.2内部面积分析201
4.3.3附加阻力205
4.3.4进气道的“起动”208
4.4特性图211
4.5小结212
习题213
第5章喷管218
5.1引言218
5.2非理想条件方程218
5.2.1尾喷管218
5.2.2外涵喷管219
5.2.3喷管效率对性能的影响220
5.3收敛喷管221
5.4收-扩喷管221
5.5压比对发动机性能的影响229
5.6可调喷管231
5.7特性图233
5.7.1量纲分析233
5.7.2趋势234
5.8反推力装置与矢量推力238
5.8.1反推力装置238
5.8.2矢量推力240
5.9小结240
习题242
第6章轴流式压气机和风扇246
6.1引言246
6.2几何结构247
6.3速度多边形或速度三角形252
6.4单级能量分析255
6.4.1总压比256
6.4.2反力度256
6.4.3不可压缩气流256
6.4.4速度三角形与反力度和压比之间的关系257
6.5特性图268
6.5.1量纲分析268
6.5.2趋势269
6.5.3实验数据270
6.5.4特性图规则271
6.5.5喘振控制273
6.6级压比限制273
6.7可调静子276
6.7.1理论分析276
6.7.2调节机构278
6.8双转子压气机280
6.8.1理论分析280
6.8.2双转子机械结构281
6.8.3三转子结构282
6.9径向平衡283
6.9.1微分分析283
6.9.2自由涡流284
6.9.3等反力度285
6.10流线分析方法287
6.10.1流场几何学288
6.10.2工作方程288
6.11压气机的级特性297
6.11.1速度三角形298
6.11.2升力系数与阻力系数301
6.11.3力305
6.11.4叶片负载与性能之间的关系306
6.11.5参数效应308
6.11.6叶栅数据使用经验311
6.11.7其他经验315
6.11.8一般方法的使用318
6.12小结319
习题321
第7章离心式压气机333
7.1引言333
7.2几何结构334
7.3速度多边形或速度三角形336
7.4单级能量分析338
7.4.1总压比339
7.4.2不可压缩气流(液压泵)339
7.4.3滑移340
7.4.4速度三角形与压比的关系343
7.5特性图347
7.5.1量纲分析347
7.5.2特性图规则348
7.6叶轮几何设计349
7.6.1叶轮入口直径349
7.6.2基本叶型349
7.6.3叶片应力350
7.6.4叶片数350
7.6.5叶片设计351
7.7扩压器351
7.8小结353
习题354
第8章轴流式涡轮360
8.1引言360
8.2几何结构361
8.2.1外形构造361
8.2.2与轴流式压气机的比较363
8.3速度多边形或速度三角形366
8.4单级能量分析370
8.4.1总压比370
8.4.2反力度371
8.4.3不可压缩流体(水轮机)371
8.4.4速度三角形与反力度和性能之间的关系372
8.5特性图378
8.5.1量纲分析378
8.5.2特性图规则378
8.6转子和静子叶片的热限制379
8.6.1叶片冷却381
8.6.2转子和静子叶片材料383
8.6.3转子和静子叶片制造384
8.7流线分析方法385
8.8小结385
习题387
第9章主燃烧室和加力燃烧室390
9.1引言390
9.2几何结构391
9.2.1主燃烧室391
9.2.2加力燃烧室395
9.3火焰稳定、点火与发动机起动396
9.3.1火焰稳定396
9.3.2点火与发动机起动397
9.4绝热火焰温度398
9.4.1化学分析398
9.4.2热力学分析399
9.5压力损失404
9.5.1瑞利线流404
9.5.2法诺流405
9.5.3摩擦与加热管流406
9.5.4有阻力的流动407
9.6特性图409
9.6.1量纲分析409
9.6.2趋势411
9.7燃油类型与性质411
9.8小结413
习题414
第10章涵道和混合室417
10.1引言417
10.2总压损失417
10.2.1法诺流418
10.2.2混合过程418
10.2.3含阻力物体的气流421
10.3小结423
习题424
第三篇系统匹配与分析
第11章燃气涡轮发动机部件匹配427
11.1引言427
11.2部件匹配428
11.2.1燃气发生器428
11.2.2喷气式发动机430
11.2.3燃气轮机431
11.2.4部件建模433
11.2.5匹配问题解析437
11.2.6其他应用444
11.2.7动态响应(暂态响应)444
11.3发动机和飞机的匹配452
11.4第二设计阶段中匹配和循环分析的使用454
11.5小结455
习题457
第四篇附录
附录A标准大气467
附录B等熵气流表470
附录C法诺线气流表493
附录D瑞利线气流表505
附录E正激波气流表517
附录F常用单位换算表535
附录G迭代算法简述538
G.1引言538
G.2试位法538
G.3逐次代换法542
附录H一维可压缩气流544
H.1引言544
H.2理想气体方程和滞止参数544
H.3可变比热容546
H.4变截面等熵流动549
H.5法诺流550
H.6瑞利线流551
H.7正激波552
H.8平面斜激波554
H.9含阻力物体的气流557
H.10混合过程558
H.11广义一维可压缩气流560
H.12变截面摩擦管流562
H.13摩擦与加热管流562
H.14变截面摩擦与加热管流563
附录I燃气涡轮基础565
I.1引言565
I.2单级能量分析565
I.2.1总压比566
I.2.2反力度569
I.2.3不可压缩气流570
I.3相似理论571
部分习题答案574
参考文献578
索引584

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喷气推进基础与应用节选

**篇循环分析 GE90-94B发动机第1章绪论 1.1 推进设备和叶轮机械发展简史人造推进设备的存在历史已经有好几个世纪了，这些设备也在随时间逐步演进。大部分现代发动机和燃气轮机都有共同的组成部分：压气机和涡轮或叶轮机械。本章在讨论现代发动机之前会介绍一些早期的叶轮机械和推进设备，也包括一些与叶轮机械或推进系统无关但也是比较有名的设备。这些人造设备中，很多是经过反复试验之后设计出来的，它们代表了人类在工程设计中的早期尝试，其中很多在当时是非常精致的。 Wilson(1982)、 Billington(1996)、ASME(1997)、Engeda(1998)、St. Peter(1999)等都结合图片对这一历史进程做了精彩的描述。人类历史上*早的叶轮机械之一是 Heron(通常被称为“希罗”)设计的汽转球，如图 1.1所示。这一设施设计于约公元前 100年。它由一个充满水的充气室驱动，其中的水被加热到沸腾状态，通过导管将蒸汽引到一个固定在中空轴上的球内。在球上相对的两个位置设有两个排气装置，这两个排气装置指向相反，引导高速蒸汽产生力矩，带动球体绕轴旋转——这本质上是一个反作用机器。如果将一根绳子与旋转轴相连， Heron就可以用它来完成开启庙宇大门之类的工作。大约在公元 1232年，中国的万户( Wan Hu)设计和测试了火箭橇——这种火箭橇用一种原始的固体推进火箭移动。万户把燃料放在一个容器内燃烧，产生的炽热气体通过一个喷嘴高速排出，从而产生推力。不幸的是，万户*后在他的试验中牺牲，这也是史上记载的*早死于推进设备的事件。达芬奇也在叶轮机械领域做出过贡献—— 1500年，他设计了旋转式烟囱帽。达芬奇在烟囱中安装了一个涡轮，利用上升热气流的自由对流来驱动涡轮上一系列叶片转动，然后这种旋转运动通过一组齿轮带动在火焰上的火鸡。如此火鸡被自动烤制。与此同时，达芬奇还设计了由一个大螺旋桨产生升力的概念直升机。从 Robert Hooke和一些其他人的构想开始，从 17~19世纪，荷兰人将风车广泛地用于抽水磨坊里(图 1.2)——本质上是一种大的风力涡轮。这些巨大的风力涡轮(通常直径大于 50m)将平原地带强劲而稳定的风力资源转换为低速的旋转运动——通过一系列木质斜齿轮和耦合机构后，将扭转功率转化成地面上的可用功率。在荷兰早期的抽水与磨坊中，通常可见一个倒转的水轮——水轮上的水腔将水从低处推到一个更高的位置，再在高处将水倾倒到用堤坝隔拦的地方——如此便可将洪水从海平面以下的陆地中抽取出来。图 1.1 公元前 100年 Heron设计的汽转球图 1.2 荷兰风车【R. Flack摄】 1629年，Giovanni de Branca设计了一个燃气涡轮——早期的冲击式涡轮。 Branca在一个增压容器里将水煮沸，沸腾的蒸汽通过一个喷嘴喷出，产生高速蒸汽可以驱动一根轴上的一系列辐射状叶片。然后通过一系列的斜齿轮来传递扭矩并驱动机械设备。 1687年，艾萨克牛顿爵士设计了蒸汽四轮运货马车——可被视为早期汽车。他在四轮马车上安置了一个火炉，用来持续煮沸水箱中的水，然后用一个喷嘴来引导蒸汽以产生推力。通过调整火力、喷嘴上的阀门以及喷嘴方向，就可以调整排汽速度、推力大小和推力方向。尽管这一概念可行，但是要想获取可观的车速，所需功率远超过当时能够提供的功率，这一想法*终被遗弃。 1689年，Denis Papin在一个涡螺设计中首次提出了关于泵轮的科学构想。尽管早在公元 4世纪就有木质离心泵， 1754年，在数学和流体力学领域均有深厚造诣的 Leonhard Euler进一步推进了与泵相关的领域，因此今天我们把理想泵性能称为“欧拉水头”。1818年，美国人生产了**个商用的离心泵。 1730年，Garonne设计了一个水驱磨粉机。这个磨粉机是较早使用的水轮(或水轮机)。 Garonne将水坝流下的水引导到一系列圆锥形的叶片上(叶轮)，利用这些高静压头的水转动叶轮。旋转轴带动涡轮上面的磨碎机磨粉。 1882年，Wisconsin在实际中采用相同的理念，利用径流式水轮机带动发电机发电。 Gifford是成功利用受控推进设备驱动飞机的**人。 1851年，他利用一个汽轮机来带动一个螺旋桨推动飞机。但是由于全部负载所需功率明显太大——受限于发动机尺寸、燃烧室燃料量、沸腾用的水量——*终这一想法不可行。 1883年，Carl de Laval设计了所谓的“ Hero”反作用涡轮，如图 1.3所示。这实际上是早期使用的水力涡轮。水从中空管中流过，在水管尾端形成了高速喷射流，进而绕中间轴旋转。这也是旋转喷水头的基本原型——将水体的内能转换成绕旋转轴转动的动能。另一个例子是 1897年 Laval设计的冲击式汽轮机(图 1.4)。该装置利用蒸汽的反推力推动固定在一个旋转轴上的叶片。高速蒸汽撞击到叶片上后改变方向，在叶片上进行动量交换，从而推动旋转轴，对外提供力矩。图 1.3 Laval设计的“Hero”反作用涡轮图 1.4 Laval设计的冲击式汽轮机接下来的 25年里，人类在涡轮动力装置领域取得了快速的进步。燃气涡轮和蒸汽涡轮在船舶和发电领域开始广泛应用。例如， 1891年，Charles Parsons研发了世界上**台蒸汽涡轮——现代燃气涡轮的前身。该叶轮机包括两个独立的部件：蒸汽发生器(燃烧室)和涡轮。蒸汽发生器产生高压气流，高速喷射到涡轮上。 19世纪初，Richard Trevithick和其他人发明了船舶用推进器或螺旋桨，这本身也是一种涡轮机构。 Parson发明的蒸汽涡轮功率可达 2100hp(1570kW)，1879年，它被用来直接驱动一个 100ft(30.5m)长的远洋船舶，速度达 34kn，在那个大多数交通工具运行速度都很慢的年代里，这是一项非常了不起的成就。 1912年，在芝加哥，一个多达 64级的大型蒸汽涡轮开始装机，当时运转速度为 750r/min，能输出高达 25MW的电功率。 20世纪 20年代，通用电气已经有多款 40MW级别的蒸汽涡轮投入使用。它们的运转速度为 1800r/min，拥有 19级。尽管从那个时候开始，该领域从未停止改良和进步，在现今全世界很多发电厂中仍在使用这些设备，但是其设计仍然基本相同。 20世纪 30年代，英国人和德国人几乎同时而独立地展开了燃气涡轮的研究，并取得了极大进展。1930年，英国的弗兰克惠特尔爵士获得了现代推进燃气涡轮的专利(图 1.5)。这一发动机转速约 18000r/min，能产生高达 1000lbf(4450N)的推力。它包含一个离心式压气机和一个回流式燃烧室——燃烧室中的气流方向与整机的气流流向相反——现今在很多需要节省空间的小型发动机中仍采用这种设计理念。经过多年改进， 1941年，该发动机在飞机上应用。这一早期的进展由 Meher-Homji发现(1997年)； Dunham回顾了 Howell的贡献——Howell也是英国人，他完善了惠特尔的研究工作。图 1.5 惠特尔设计的 WU1喷气发动机【图片来源于 Lloyd[1945]图 105，经机械工程师协会理事会授权使用】 1939年，德国人首次在飞行中使用了燃气涡轮。汉斯冯奥海因在 1936年获得了这款飞机发动机的专利授权，如图 1.6所示。该发动机能产生 1100lbf(4890N)的推力，它包括轴流和离心组合式压气机。总体来讲，德国人设计的涡轮以及之后的改进型发动机在效率和耐用性上比他们的英国同行更胜一筹。仅仅几年之后，德国人 Anselm Franz设计的 Junkers Jumo 004型发动机是**个批量生产的燃气涡轮发动机，见图 1.7。Meher-Homji (1996，1997b，1999)对这些早年的进展做了饶有兴致的回顾。其他有关叶轮机械和推进系统的历史性回顾包括 Heppenheimer(1993)、St. Peter(1999)和 Wilson(1982)等。现在，惠特图 1.6 奥海因设计的喷气发动机【.德意志博物馆波恩摄影师 Hans-Jochum Becker】

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