淺談航空發動機的工作原理

航空發動機原理——渦輪噴氣發動機

淺談航空發動機的工作原理

渦噴發動機工作示意圖

渦輪噴氣發動機的原理:渦輪噴氣發動機簡稱渦噴發動機,通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發動機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。

渦噴發動機屬於熱機,做功原則同樣為:高壓下輸入能量,低壓下釋放能量。

工作時,發動機首先從進氣道吸入空氣。這一過程並不是簡單的開個進氣道即可,由於飛行速度是變化的,而壓氣機對進氣速度有嚴格要求,因而進氣道必需可以將進氣速度控制在合適的範圍。

壓氣機顧名思義,用於提高吸入的空氣的的壓力。壓氣機主要為扇葉形式,葉片轉動對氣流做功,使氣流的壓力、溫度升高。

隨後高壓氣流進入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴射出油料,與空氣混合後點火,產生高溫高壓燃氣,向後排出。

高溫高壓燃氣向後流過高溫渦輪,部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能,驅動渦輪旋轉。由於高溫渦輪同壓氣機裝在同一條軸上,因此也驅動壓氣機旋轉,從而反覆的壓縮吸入的空氣。

從高溫渦輪中流出的高溫高壓燃氣,在尾噴管中繼續膨脹,以高速從尾部噴口向後排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多,從而產生了對發動機的反作用推力,驅使飛機向前飛行。

航空發動機原理——渦輪風扇噴氣發動機

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渦扇發動機示意圖

渦輪風扇發動機的妙處,就在於既提高渦輪前溫度,又不增加排氣速度。渦扇發動機的結構,實際上就是渦輪噴氣發動機的前方再增加了幾級渦輪,這些渦輪帶動一定數量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣,送進壓氣機(術語稱“內涵道”),另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此,渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時,為提高熱效率而提高渦輪前溫度,可以通過適當的渦輪結構和增大風扇直徑,使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道,從而避免大幅增加排氣速度。這樣,熱效率和推進效率取得了平衡,發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低,飛機航程變得更遠。

渦輪風扇噴氣發動機的優缺點:如前所述,渦扇發動機效率高,油耗低,飛機的航程就遠。但渦扇發動機技術複雜,尤其是如何將風扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內涵道,是極大的技術難題。但渦扇發動機技術複雜,尤其是大涵道比涉及到方方面面的技術和適航,同業競爭等因素,當前有能力研發且佔領市場的屈指可數。當前國內只有個別軍機配裝了渦扇發動機,而民用渦扇發動機尚在研發階段。

航空發動機原理——槳扇發動機

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渦槳發動機示意圖

槳扇發動機是一種介於渦輪風扇發動機和渦輪螺旋槳發動機之間的一種發動機形式,其目標是將前者的高速性能和後者的經濟性結合起來。

槳扇發動機的結構見圖,它由燃氣發生器和一副螺槳-風扇(因為實在無法給這個又象螺旋槳又象風扇的東東起個名字,只好叫它螺槳-風扇)組成。螺槳-風扇由渦輪驅動,無涵道外殼,裝有減速器,從這些來看它有一點象螺旋槳;但是它的直徑比普通螺旋槳小,葉片數目也多(一般有6~8葉),葉片又薄又寬,而且前緣後掠,這些又有些類似於風扇葉片。

航空發動機原理——渦輪軸發動機

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渦軸發動機示意圖

渦輪軸發動機的原理:渦輪軸發動機與渦輪螺旋槳發動機相似,渦槳發動機驅動螺旋槳,渦輪軸發動機則驅動直升機的旋翼軸獲得升力和氣動控制力。當然渦輪軸發動機也有自己的特色:通常帶有自由渦輪,而其他形式的渦輪噴氣發動機一般沒有自由渦輪。

渦輪軸發動機具有渦輪噴氣發動機的大部分特點,也有著進氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管等基本組件。其特有的自由渦輪位於燃燒室後方,高能燃氣對自由渦輪作功,通過傳動軸、減速器等帶動直升機的旋翼旋轉,從而升空飛行。自由渦輪並不像其他渦輪那樣要帶動壓氣機,它專門用於輸出功率,類似於汽輪機。做功後排出的燃氣,經尾噴管噴出,能量已經不大,產生的推力很小,包含的推力大約僅佔總推力的十分之一左右。因此,為了適應直升機機體結構的需要,渦輪軸發動機噴口可靈活安排,可以向上,向下或向兩側,而不一定要向後。


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