突出航空动力特色的“工程热力学”课程教学改革探索

2023-01-11李育隆丁水汀

教育教学论坛 2022年50期

李果，李育隆，丁水汀

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191；2.中国民航大学党政办公室，天津 300300）

一、“工程热力学”课程教学现状

“工程热力学”是热力学的工程分支，是在阐述热力学普遍原理的基础上，通过宏观的方法研究这些原理的技术应用，从而为能源、动力、机械、航空航天等领域深入研究奠定基础［1］。在“工程热力学”课程的知识结构上，其先修课程是高等数学、大学物理等基础课程，后修课程是不同理工类专业的专业课程，属于二者之间“桥梁”性技术基础课程。因此，“工程热力学”是国内外理工科高等院校普遍开设的核心课程之一。目前，国内外已形成完备和公认的工程热力学教学内容，包括热能和机械能间转化规律和方法、转化效率的途径、提高能源利用经济性等［1-3］。各高校针对不同专业的侧重点，一般适当扩大工程热力学相关知识点的讲授内容［4-5］。如西安交通大学主要聚焦能源动力、能源环境、能源化工等专业的人才培养和研究，因此其“工程热力学”（国家级精品课）教学团队对蒸汽热力过程、蒸汽动力循环等部分的讲授相较于其他高校学时更多、内容更深。上海交通大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工程大学等高校在教学过程中也相应增加了围绕其优势学科专业（如核能、发电、船舶等）的授课内容。

二、突出航空动力特色的“工程热力学”课程教学改革的必要性

尽管目前各理工科高校围绕其专业设置，在“工程热力学”教学中进行了适当的调整和改革，但是在飞行器动力工程等航空领域相关专业的“工程热力学”课程教学内容改革相对滞后，不能满足我国未来航空器动力人才培养的需要［4-5］。

（一）航空发动机战略转型期人才培养的需要

我国历史上曾长期经历测绘仿制研制航空发动机的阶段，随着国家加大对航空发动机研制的投入力度，尤其是“航空发动机及燃气轮机”国家重大专项（两机专项）的实施，我国正在经历由测绘仿制向自主研制的战略转型期，而转型期的关键在人才转型和创新型人才培养要求必须改革相关课程。对此，以北京航空航天大学为代表的高校率先开设“航空发动机设计”相关课程。但是，设计低油耗、大推力、高效率等先进航空发动机，其最根本的是对热力循环的应用和创新，目前有关航空发动机热力循环在“工程热力学”教学中属于“气体动力循环”的选学内容，无论是在内容和学时上，远不能满足航空发动机专业人才培养的需要。如国内应用最为广泛的由沈维道主编，高等教育出版社出版的《工程热力学》教材中，仅有不到2页的喷气式发动机简介［1］；而由西北工业大学出版的《航空发动机原理》有关航空发动机热力循环分散在各章节，相较“工程热力学”课程讲授的基础知识而言，跨度大、难度大［7］。

（二）国内开设航空专业高校规模扩大的需要

近年来，为配合国家对航空动力领域的投入和举措，除北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学这些传统“三航”院校外，清华大学、上海交通大学等高校纷纷成立了航空航天相关学院，目前开设飞行器动力工程本科专业的高校达到了30余所，规模的扩大有效缓解了我国航空发动机研制不同层次的人才需求，但是，其相关课程的建设仍存在滞后。对于“工程热力学”课程来说，上述高校在大纲设置和讲授过程中，更多遵循传统“工程热力学”的讲授内容和学时配比，“三航”院校的授课教师可能根据自身重视程度，适当增加了一些航空发动机热力循环的讲授内容，但总体而言尚未形成完备的内容体系。

（三）综合分析并系统解决复杂工程问题的需要

航空发动机作为典型的复杂系统，“工程热力学”具备从热能和机械能相关转换的朴素原理和本质的角度，综合分析并系统解决航空发动机效率问题、推力问题等这一复杂工程系统的能力，但对于讲授提出了高要求。首先，需要学生自主思考并针对具体工程问题抽象建立热力系统进行分析，从而锻炼学生的逻辑思维能力、形象思维能力和抽象思维能力。其次，应鼓励学生在热力学定律、热力过程和热机基础概念的基础上，结合航空发动机结构及工作过程，自主分析航空发动机热力循环改进方向，从而锻炼学生的文字表达能力、图形表达能力和语言表达能力。最后，应增加分析实践课程，在航空发动机热力学模型构建和热力循环的基础上，提出效率、功率等提高的具体方案，结合自主设计验证，锻炼学生的领导实践能力、团队实践能力和自主实践能力。

三、教学改革举措和具体内容

（一）增加典型航空发动机热力循环教学内容

航空发动机本质上是一种热力机械，利用空气作为工质重复进行压缩、加热膨胀和放热过程，一般的“工程热力学”教学中主要通过理想“布雷顿循环”进行讲授。但是对于实际航空发动机而言，为适应不同飞行器具体要求，按照热力循环的特点又主要分为涡喷发动机（不加力）、涡喷发动机（加力）和混合排气涡扇发动机（不加力）等。因此，拟在“工程热力学”课程教学中增加上述应用最为广泛的典型航空发动机的理想热力循环的讲授，具体包括但不局限于下述内容。

1.涡喷发动机（不加力）理想循环。涡喷发动机作为飞行器动力，其依靠很大的排气速度产生反作用推力。需要指出的是涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机与涡喷发动机在理想热力循环上完全一致，其区别仅在于前两者很大比例或几乎全部循环功的用途分别用于驱动螺旋桨和旋翼，而后者主要用于产生反作用推力，因此在工程热力学的讲授中不单独划分。对于涡喷发动机，其理想循环如图1所示［7-9］。其中，点0代表发动机大气压力和比体积；点0～点2*表示气流在进气道内压缩；点2*～点3*表示气流在压气机中压缩；点3*～点4*对应燃烧室中对气流加热；点4*～点5*表示在涡轮内膨胀做功；点5*～点9表示在尾喷管中膨胀。

图1 涡喷发动机（不加力）理想循环的P-V图

2.混合排气涡扇发动机理想循环。混合排气涡扇发动机是在涡喷发动机基础上增加1～2级低压涡轮，利用涡轮带动发动机前部增加的大风扇。由于风扇吸入的气流一部分如普通涡喷发动机一样，进入压气机（内涵道），另一部分直接从风扇与机匣间通道流过（外涵道），构成了典型的“内-外涵”结构，因此燃气能量实际上产生了两种排气推力。图2给出了排气涡扇发动机内/外涵理想循环示意图［7-9］。其中，对于内涵理想循环：点0～点3*是等熵压缩，点3*～点4*是等压加热，点4*～点5*是等熵膨胀，点5*～点6*是等压放热（内/外涵气流掺混），点7*～点9在尾喷管中等熵膨胀，点9～点0是等压放热；对于外涵理想循环：点0～点22*是等熵压缩；点5*～点6*是等压加热；点7*～点9*是尾喷管中等熵膨胀；点9～点0是等压放热。

图2 混合排气涡扇发动机理想循环的P-V图

3.加力涡喷/混合排气涡扇发动机理想循环。为进一步增大发动机的推力，在发动机涡轮后端设置加力燃烧室，可以进一步增加循环功，是军用航空发动机所广泛采用的有效方式。需要特别指出的是，对于涡喷发动机和混合排气涡扇发动机，从热力循环角度而言，其加力增加推力的方式是完全一致的，因此以结构相对较为简单的涡喷发动机为例进行讲授。图3给出了加力式涡喷发动机理想循环P-V图［7-9］。其中，点5*～点7*是在涡轮后的加力燃烧室中对气体进行等压加热，然后在尾喷管中等熵膨胀（点7*～点9*ab）。因此，加力燃烧室增加的循环功是点5*、点7*、点9ab、点9和点5*所围成的面积；同时由于气流已经过涡轮膨胀，压力降低且远小于燃烧室压力，造成加力燃烧室中实际是在低压下燃烧，热效率较低，获得额外的推力将进一步增大燃油消耗。

图3 涡喷发动机（加力）理想循环的P-V图

（二）教学与航空发动机实践结合

在掌握典型航空发动机热力循环的基础上，如何获得更大的循环功和热效率是设计需要进一步分析的问题，并往往需要在材料、构型、推力等多种影响因素下优化和平衡，并必须考虑理想热力循环与实际的结合。因此，对于“工程热力学”课程而言增加与航空发动机具体设计实践的结合，将有助于学生真正理解提高热力循环循环功、热效率的方式方法，有助于在设计中贯彻优化、平衡的理念。具体而言，与航空发动机实践的结合可以包含两个方面。

1.航空发动机拆装实践。以学生为中心，组织2～4个学时的典型航空发动机拆装实践，结合航空发动机结构及工作过程，了解真实发动机提高循环功和热效率的具体方法，并为未来可能的改进方向奠定基础。如北京航空航天大学依托航空发动机教学实验中心，将“工程热力学”课程授课班级分成若干个小组，每个小组针对航空发动机具体系统开展观摩和简单拆装实践，同时结合所建立的热力学循环和模型，实现了教学与实践的融合。

2.航空发动机虚拟仿真设计实践。航空发动机设计过程复杂，成本高、周期长，一般高校难以具备充分的设计条件。近年来，得益于计算机技术的快速进步，航空发动机虚拟仿真设计技术的发展让学生在高校内开展设计实践成为了可能。如北京航空航天大学依托“航空发动机科教协同平台”，建立了由高性能数值计算硬件及其配套数据与远程操作管理软件、多种航空发动机总体与部件设计软件组成的航空发动机设计与虚拟仿真综合系统，为航空发动机整机及部件设计提供工具。因此，学生可以在2～4个学时中提出提高效率和循环功的创新思路，并通过发动机设计平台进行实践，快速完成整体性能分析，真正理解理想热力循环和真实循环的差异所在。