发动机效率

发动机利用燃料热能的有效程度

发动机效率（engine efficiency）是指发动机利用推进剂化学能的有效程度。发动机工作时燃料所含热能只有一部分转变为推进功，其余部分以热能或动能形式损失掉。发动机效率是评定发动机性能的指标之一，它分为热效率、推进效率和总效率。

分类

热效率

发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料的含热量之比称为热效率（有效效率），用以评定发动机作为热机的经济性。

活塞式航空发动机的有效功率为轴功率；喷气发动机有效功率等于单位时间流过发动机内部的气流的动能增量。涡轮喷气发动机的热效率一般为24%～30%。

推进效率

发动机（或推进器）推进功率与有效功率之比称为推进效率（飞行效率），用以评定推进器的有效性。现代涡轮喷气发动机的推进效率一般为50%～65%，带螺旋桨推进器发动机的推进效率可达80%～90%。

总效率

推进功率的热当量与单位时间所耗燃料的含热量之比为总效率，它等于热效率与推进效率的乘积，用以评定整个推进系统（包括发动机和推进器）的经济性。

公式

发动机利用燃料热能的有效程度。活塞式航空发动机的有效功率为轴功率（见发动机功率）；发动机(或推进器)推进功率与有效功率之比称为推进效率（飞行效率），用以评定推进器的有效性。发动机效率写成公式为

式中，β、I、It分别为发动机效率、标准条件下发动机实测比冲和推进剂标准条件下的理论比冲。对于液体火箭发动机，还可用下式表示

式中，β、βa、βb、βc分别为发动机效率、推力室的燃烧效率、喷管效率及燃气发生器和涡轮泵的总效率。

影响因素

比冲，喉部流量效率和推力效率是发动机效率的三个重要参数，而推力效率是比冲效率和喉部流量效率的乘积，所以仅研究比冲效率和喷管喉部流量效率。为了比较，特作如下定义：

比冲效率β，在燃烧室压强、喷管扩张比和扩张半角相同的条件下，轴对称流计算所得的比冲与一维流计算所得比冲之比；

喷管喉部流量效率η，轴对称流计算所得的喷管喉部流量与一维流计算所得的流量之比。

1、上游曲率半径对发动机效率的影响

在保持下游曲率半径R2/r1 =0.625不变时，取上游曲率半径比R1/r1，分别为：0.3215、0.625、1.0、1.25、1.5、2.0、 2.4、2.75 进行计算。

当上游曲率半径比较小时，在喉部区域壁上马赫数远大于轴上马赫数，在喉部区域壁上马赫数转折较大，这是由于上、下游壁面曲率半径不连续而造成的。随着R1/r1的逐渐增大，喉部区域壁上马赫数渐趋于平滑，壁上与轴上的马赫数的差距逐渐咸小，喉部及其下游的壁面马赫数降低。

由图2可见，上游曲率半径比R1/r1增大，对发动机比冲效率稍有增加，但影响很小。值得注意的是在上、下游曲率半径相等附近，比冲效率有一明显的凸起，这是由于流场对喉部壁面曲率不连续引起的。

对喷喉流量效率有明显的影响，喷喉流量效率随的增加而增大。R1/r1越小，喉部处的流场分布越不均匀，从而流量效率降低。

2、下游曲率半径对发动机效率的影响

在保持上游曲率半径R1/r1=0.625不变时，取下游曲率半径比R2/r1分别为:0.1、0.3、0.625、1.0、 1.25、1.6、2.0、2.4、2.75 进行计算。

在喷喉附近壁上和沿轴向的压强及马赫数是光滑连续变化的，只是喷管下游与扩张锥相接处壁上的压强和马赫数出现了转折.转折的程度随R2/r1的增大而减小,这一转折是膨胀气流到达扩张锥壁面时受到压缩而引起的，所有喷管都有这种现象.由于气流在此处受到压缩，气流与壁面的传热必然增加，因而热防护层在此处附近的烧蚀往往也较严重。

比冲效率随着R2/r1的变化如图4所示，在上、下游曲率半径相等附近，比冲效率亦有一明显的凸起。随着R2/r1的增大，喷管喉部区域横截面上的马赫数分布越趋于均匀。R2/r1对喉部流量效率的影响如图5所示。

此外，R2/r1的增大，喷管喉部及其下游的壁面马赫数降低，使初始扩张区下游烧蚀减轻，但对于给定扩张比的喷管，其长度就会增加，造成喷管质量的增加。

3、喷管圆柱段发动机效率的影响

在喷管上、下游圆弧半径相等(R1=R2=R)并保持R/r1=0.625不变时，计算喷管喉部圆柱段的无因次长度l/r1为 0、0.15、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 时对效率的影响。

当喷喉圆柱段较短时,壁上压强分布在喉部出现微小波折，但轴线上的压强仍大于壁面上的压强.而马赫数分布曲线仍较光滑。这说明气流在喷喉处仅受到轻微的压缩。但随着圆柱段的增长，壁上压强和马赫数分布出现先上升后下降的较大波折，轴向压强和马赫数分布也稍有波动。随着圆柱段的进一步增长，由于喷喉上游迅速膨胀的气流受到圆柱段剧烈压缩，使壁上压强逐渐回升，马赫数逐渐降低，在圆柱段中部时，壁上和轴向压强、马赫数基本趋于相等,流动明显的呈现出一维特性。

从上述分析可知，圆柱段过长将使喉部的气流受到严重的压缩，从而引起气流对比壁的传热增加.加剧喉衬的烧蚀。

不同圆柱段长度对喷管喉部流量效率的影响示于图6。由图6可见，没有圆柱段的喷管，喉部流量效率最大，有圆柱段的喷管，在圆柱段较短时，喉部流量效率随着圆柱段的增加而逐渐下降，但随着圆柱段的进一步增长，喉部区的流动逐渐接近于一维流动，喉部流量效率有所增加，但其影响不甚明显。

不同圆柱段长度对比冲效率的影响示于图7。由图7可见.随着l/r1,的增加，比冲效率下降。

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