突出航空動力特色的“工程熱力學”課程教學改革探索

李 果，李育隆，丁水汀

（1.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191；2.中國民航大學 黨政辦公室，天津 300300）

一、“工程熱力學”課程教學現狀

“工程熱力學”是熱力學的工程分支，是在闡述熱力學普遍原理的基礎上，通過宏觀的方法研究這些原理的技術應用，從而為能源、動力、機械、航空航天等領域深入研究奠定基礎［1］。在“工程熱力學”課程的知識結構上，其先修課程是高等數學、大學物理等基礎課程，后修課程是不同理工類專業的專業課程，屬于二者之間“橋梁”性技術基礎課程。因此，“工程熱力學”是國內外理工科高等院校普遍開設的核心課程之一。目前，國內外已形成完備和公認的工程熱力學教學內容，包括熱能和機械能間轉化規律和方法、轉化效率的途徑、提高能源利用經濟性等［1-3］。各高校針對不同專業的側重點，一般適當擴大工程熱力學相關知識點的講授內容［4-5］。如西安交通大學主要聚焦能源動力、能源環境、能源化工等專業的人才培養和研究，因此其“工程熱力學”（國家級精品課）教學團隊對蒸汽熱力過程、蒸汽動力循環等部分的講授相較于其他高校學時更多、內容更深。上海交通大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工程大學等高校在教學過程中也相應增加了圍繞其優勢學科專業（如核能、發電、船舶等）的授課內容。

二、突出航空動力特色的“工程熱力學”課程教學改革的必要性

盡管目前各理工科高校圍繞其專業設置，在“工程熱力學”教學中進行了適當的調整和改革，但是在飛行器動力工程等航空領域相關專業的“工程熱力學”課程教學內容改革相對滯后，不能滿足我國未來航空器動力人才培養的需要［4-5］。

（一）航空發動機戰略轉型期人才培養的需要

我國歷史上曾長期經歷測繪仿制研制航空發動機的階段，隨著國家加大對航空發動機研制的投入力度，尤其是“航空發動機及燃氣輪機”國家重大專項（兩機專項）的實施，我國正在經歷由測繪仿制向自主研制的戰略轉型期，而轉型期的關鍵在人才轉型和創新型人才培養要求必須改革相關課程。對此，以北京航空航天大學為代表的高校率先開設“航空發動機設計”相關課程。但是，設計低油耗、大推力、高效率等先進航空發動機，其最根本的是對熱力循環的應用和創新，目前有關航空發動機熱力循環在“工程熱力學”教學中屬于“氣體動力循環”的選學內容，無論是在內容和學時上，遠不能滿足航空發動機專業人才培養的需要。如國內應用最為廣泛的由沈維道主編，高等教育出版社出版的《工程熱力學》教材中，僅有不到2頁的噴氣式發動機簡介［1］；而由西北工業大學出版的《航空發動機原理》有關航空發動機熱力循環分散在各章節，相較“工程熱力學”課程講授的基礎知識而言，跨度大、難度大［7］。

（二）國內開設航空專業高校規模擴大的需要

近年來，為配合國家對航空動力領域的投入和舉措，除北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業大學這些傳統“三航”院校外，清華大學、上海交通大學等高校紛紛成立了航空航天相關學院，目前開設飛行器動力工程本科專業的高校達到了30余所，規模的擴大有效緩解了我國航空發動機研制不同層次的人才需求，但是，其相關課程的建設仍存在滯后。對于“工程熱力學”課程來說，上述高校在大綱設置和講授過程中，更多遵循傳統“工程熱力學”的講授內容和學時配比，“三航”院校的授課教師可能根據自身重視程度，適當增加了一些航空發動機熱力循環的講授內容，但總體而言尚未形成完備的內容體系。

（三）綜合分析并系統解決復雜工程問題的需要

航空發動機作為典型的復雜系統，“工程熱力學”具備從熱能和機械能相關轉換的樸素原理和本質的角度，綜合分析并系統解決航空發動機效率問題、推力問題等這一復雜工程系統的能力，但對于講授提出了高要求。首先，需要學生自主思考并針對具體工程問題抽象建立熱力系統進行分析，從而鍛煉學生的邏輯思維能力、形象思維能力和抽象思維能力。其次，應鼓勵學生在熱力學定律、熱力過程和熱機基礎概念的基礎上，結合航空發動機結構及工作過程，自主分析航空發動機熱力循環改進方向，從而鍛煉學生的文字表達能力、圖形表達能力和語言表達能力。最后，應增加分析實踐課程，在航空發動機熱力學模型構建和熱力循環的基礎上，提出效率、功率等提高的具體方案，結合自主設計驗證，鍛煉學生的領導實踐能力、團隊實踐能力和自主實踐能力。

三、教學改革舉措和具體內容

（一）增加典型航空發動機熱力循環教學內容

航空發動機本質上是一種熱力機械，利用空氣作為工質重復進行壓縮、加熱膨脹和放熱過程，一般的“工程熱力學”教學中主要通過理想“布雷頓循環”進行講授。但是對于實際航空發動機而言，為適應不同飛行器具體要求，按照熱力循環的特點又主要分為渦噴發動機（不加力）、渦噴發動機（加力）和混合排氣渦扇發動機（不加力）等。因此，擬在“工程熱力學”課程教學中增加上述應用最為廣泛的典型航空發動機的理想熱力循環的講授，具體包括但不局限于下述內容。

1.渦噴發動機（不加力）理想循環。渦噴發動機作為飛行器動力，其依靠很大的排氣速度產生反作用推力。需要指出的是渦輪螺槳發動機和渦輪軸發動機與渦噴發動機在理想熱力循環上完全一致，其區別僅在于前兩者很大比例或幾乎全部循環功的用途分別用于驅動螺旋槳和旋翼，而后者主要用于產生反作用推力，因此在工程熱力學的講授中不單獨劃分。對于渦噴發動機，其理想循環如圖1所示［7-9］。其中，點0代表發動機大氣壓力和比體積；點0～點2*表示氣流在進氣道內壓縮；點2*～點3*表示氣流在壓氣機中壓縮；點3*～點4*對應燃燒室中對氣流加熱；點4*～點5*表示在渦輪內膨脹做功；點5*～點9表示在尾噴管中膨脹。

圖1 渦噴發動機（不加力）理想循環的P-V圖

2.混合排氣渦扇發動機理想循環。混合排氣渦扇發動機是在渦噴發動機基礎上增加1～2級低壓渦輪，利用渦輪帶動發動機前部增加的大風扇。由于風扇吸入的氣流一部分如普通渦噴發動機一樣，進入壓氣機（內涵道），另一部分直接從風扇與機匣間通道流過（外涵道），構成了典型的“內-外涵”結構，因此燃氣能量實際上產生了兩種排氣推力。圖2給出了排氣渦扇發動機內/外涵理想循環示意圖［7-9］。其中，對于內涵理想循環：點0～點3*是等熵壓縮，點3*～點4*是等壓加熱，點4*～點5*是等熵膨脹，點5*～點6*是等壓放熱（內/外涵氣流摻混），點7*～點9在尾噴管中等熵膨脹，點9～點0是等壓放熱；對于外涵理想循環：點0～點22*是等熵壓縮；點5*～點6*是等壓加熱；點7*～點9*是尾噴管中等熵膨脹；點9～點0是等壓放熱。

圖2 混合排氣渦扇發動機理想循環的P-V圖

3.加力渦噴/混合排氣渦扇發動機理想循環。為進一步增大發動機的推力，在發動機渦輪后端設置加力燃燒室，可以進一步增加循環功，是軍用航空發動機所廣泛采用的有效方式。需要特別指出的是，對于渦噴發動機和混合排氣渦扇發動機，從熱力循環角度而言，其加力增加推力的方式是完全一致的，因此以結構相對較為簡單的渦噴發動機為例進行講授。圖3給出了加力式渦噴發動機理想循環P-V圖［7-9］。其中，點5*～點7*是在渦輪后的加力燃燒室中對氣體進行等壓加熱，然后在尾噴管中等熵膨脹（點7*～點9*ab）。因此，加力燃燒室增加的循環功是點5*、點7*、點9ab、點9和點5*所圍成的面積；同時由于氣流已經過渦輪膨脹，壓力降低且遠小于燃燒室壓力，造成加力燃燒室中實際是在低壓下燃燒，熱效率較低，獲得額外的推力將進一步增大燃油消耗。

圖3 渦噴發動機（加力）理想循環的P-V圖

（二）教學與航空發動機實踐結合

在掌握典型航空發動機熱力循環的基礎上，如何獲得更大的循環功和熱效率是設計需要進一步分析的問題，并往往需要在材料、構型、推力等多種影響因素下優化和平衡，并必須考慮理想熱力循環與實際的結合。因此，對于“工程熱力學”課程而言增加與航空發動機具體設計實踐的結合，將有助于學生真正理解提高熱力循環循環功、熱效率的方式方法，有助于在設計中貫徹優化、平衡的理念。具體而言，與航空發動機實踐的結合可以包含兩個方面。

1.航空發動機拆裝實踐。以學生為中心，組織2～4個學時的典型航空發動機拆裝實踐，結合航空發動機結構及工作過程，了解真實發動機提高循環功和熱效率的具體方法，并為未來可能的改進方向奠定基礎。如北京航空航天大學依托航空發動機教學實驗中心，將“工程熱力學”課程授課班級分成若干個小組，每個小組針對航空發動機具體系統開展觀摩和簡單拆裝實踐，同時結合所建立的熱力學循環和模型，實現了教學與實踐的融合。

2.航空發動機虛擬仿真設計實踐。航空發動機設計過程復雜，成本高、周期長，一般高校難以具備充分的設計條件。近年來，得益于計算機技術的快速進步，航空發動機虛擬仿真設計技術的發展讓學生在高校內開展設計實踐成為了可能。如北京航空航天大學依托“航空發動機科教協同平臺”，建立了由高性能數值計算硬件及其配套數據與遠程操作管理軟件、多種航空發動機總體與部件設計軟件組成的航空發動機設計與虛擬仿真綜合系統，為航空發動機整機及部件設計提供工具。因此，學生可以在2～4個學時中提出提高效率和循環功的創新思路，并通過發動機設計平臺進行實踐，快速完成整體性能分析，真正理解理想熱力循環和真實循環的差異所在。

四、教學改革的預期成效和展望

通過在課程中將傳統“工程熱力學”知識體系與航空動力知識體系深度融合，形成具有航空動力特點的工程熱力學教學改革方案，本質上是由“通識”向“特色”轉變，其預期成效可概括如下。

1.通過引入航空航天動力相關知識，突出航空動力專業本科生的“工程熱力學”課程特色。

2.通過學習不同航空動力的熱力循環差異，掌握從熱力學角度評價不同航空動力熱力循環的優劣和可能的改進方向，提高學生對專業的興趣度。

3.通過與具體航空發動機實踐的結合，在觀摩和拆裝實踐中理解熱力循環指導實際設計，在虛擬仿真設計中嘗試新技術的應用效果，提高學生的獲得感。

綜上所述，突出航空動力特色的“工程熱力學”教學改革，將培養航空動力專業學生綜合分析和系統解決復雜工程問題的能力，為國內開設航空動力專業高校“工程熱力學”課程提供示范案例，滿足我國航空發動機戰略轉型期人才培養的需要。