發動機效率

發動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的含熱量之比稱為熱效率（有效效率），用以評定發動機作為熱機的經濟性。

活塞式航空發動機的有效功率為軸功率；噴氣發動機有效功率等於單位時間流過發動機內部的氣流的動能增量。渦輪噴氣發動機的熱效率一般為24%～30%。 ^[2] 

發動機（或推進器）推進功率與有效功率之比稱為推進效率（飛行效率），用以評定推進器的有效性。現代渦輪噴氣發動機的推進效率一般為50%～65%，帶螺旋槳推進器發動機的推進效率可達80%～90%。 ^[2] 

推進功率的熱當量與單位時間所耗燃料的含熱量之比為總效率，它等於熱效率與推進效率的乘積，用以評定整個推進系統（包括髮動機和推進器）的經濟性。 ^[2] 

發動機利用燃料熱能的有效程度。活塞式航空發動機的有效功率為軸功率（見發動機功率）；發動機(或推進器)推進功率與有效功率之比稱為推進效率（飛行效率），用以評定推進器的有效性。發動機效率寫成公式為 ^[1] 

式中，β、I、I_t分別為發動機效率、標準條件下發動機實測比沖和推進劑標準條件下的理論比衝。對於液體火箭發動機，還可用下式表示

式中，β、β_a、β_b、β_c分別為發動機效率、推力室的燃燒效率、噴管效率及燃氣發生器和渦輪泵的總效率。 ^[1] 

比衝，喉部流量效率和推力效率是發動機效率的三個重要參數，而推力效率是比衝效率和喉部流量效 率的乘積，所以僅研究比衝效率和噴管喉部流量效率。為了比較，特作如下定義：

比衝效率β，在燃燒室壓強、噴管擴張比和擴張半角相同的條件下，軸對稱流計算所得的比衝與一維 流計算所得比衝之比； ^[3] 

噴管喉部流量效率η，軸對稱流計算所得的噴管喉部流量與一維流計算所得的流量之比。

1、上游曲率半徑對發動機效率的影響

在保持下游曲率半徑R₂/r₁ =0.625不變時，取上游曲率半徑比R₁/r₁，分別為：0.3215、0.625、1.0、1.25、1.5、2.0、 2.4、2.75 進行計算。 ^[3] 

當上遊曲率半徑比較小時，在喉部區域壁上馬赫數遠大於軸上馬赫數，在喉部區域壁上馬赫數 轉折較大，這是由於上、下游壁面曲率半徑不連續而造成的。隨着R₁/r₁的逐漸增大，喉部區域壁上馬赫數 漸趨於平滑，壁上與軸上的馬赫數的差距逐漸鹹小，喉部及其下游的壁面馬赫數降低。

由圖2可見，上游曲率半徑比R₁/r₁增大，對發動機比衝效率稍有增加，但影響很小。值得注意的是在 上、下游曲率半徑相等附近，比衝效率有一明顯的凸起，這是由於流場對喉部壁面曲率不連續引起的。

對噴喉流量效率有明顯的影響，噴喉流量效率隨的增加而增大。R₁/r₁越小，喉部處的流場分佈 越不均勻，從而流量效率降低。 ^[3] 

2、下游曲率半徑對發動機效率的影響

在保持上游曲率半徑R₁/r₁=0.625不變時，取下游曲率半徑比R₂/r₁分別為:0.1、0.3、0.625、1.0、 1.25、1.6、2.0、2.4、2.75 進行計算。

在噴喉附近壁上和沿軸向的壓強及馬赫數是光滑連續變化的，只是噴管下游與擴張錐相接處壁上的 壓強和馬赫數出現了轉折.轉折的程度隨R₂/r₁的增大而減小,這一轉折是膨脹氣流到達擴張錐壁面時受 到壓縮而引起的，所有噴管都有這種現象.由於氣流在此處受到壓縮，氣流與壁面的傳熱必然增加，因而熱 防護層在此處附近的燒蝕往往也較嚴重。 ^[3] 

比衝效率隨着R₂/r₁的變化如圖4所示，在上、下游曲率半徑相等附近，比衝效率亦有一明顯的凸起。 隨着R₂/r₁的增大，噴管喉部區域橫截面上的馬赫數分佈越趨於均勻。R₂/r₁對喉部流量效率的影響如 圖5所示。

此外，R₂/r₁的增大，噴管喉部及其下游的壁面馬赫數降低，使初始擴張區下游燒蝕減輕，但對於給定 擴張比的噴管，其長度就會增加，造成噴管質量的增加。

3、噴管圓柱段發動機效率的影響

在噴管上、下游圓弧半徑相等(R₁=R₂=R)並保持R/r₁=0.625不變時，計算噴管喉部圓柱段的無因次長度l/r₁為 0、0.15、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 時對效率的影響。

當噴喉圓柱段較短時,壁上壓強分佈在喉部出現微小波折，但軸線上的壓強仍大於壁面上的壓強.而馬赫數分佈曲線仍較光滑。這説明氣流在噴喉處僅受到輕微的壓縮。但隨着圓柱段的增長，壁上壓強和馬 赫數分佈出現先上升後下降的較大波折，軸向壓強和馬赫數分佈也稍有波動。隨着圓柱段的進一步增長， 由於噴喉上游迅速膨脹的氣流受到圓柱段劇烈壓縮，使壁上壓強逐漸回升，馬赫數逐漸降低，在圓柱段中 部時，壁上和軸向壓強、馬赫數基本趨於相等,流動明顯的呈現出一維特性。 ^[3] 

從上述分析可知，圓柱段過長將使喉部的氣流受到嚴重的壓縮，從而引起氣流對比壁的傳熱增加.加 劇喉襯的燒蝕。

不同圓柱段長度對噴管喉部流量效率的影響示於圖6。由圖6可見，沒有圓柱段的噴管，喉部流量效 率最大，有圓柱段的噴管，在圓柱段較短時，喉部流量效率隨着圓柱段的增加而逐漸下降，但隨着圓柱段的 進一步增長，喉部區的流動逐漸接近於一維流動，喉部流量效率有所增加，但其影響不甚明顯。 ^[3] 

不同圓柱段長度對比衝效率的影響示於圖7。由圖7可見.隨着l/r₁,的增加，比衝效率下降。