航空發動機燃料燃燒膨脹為什麼只向出口噴射?

傻傻的等你回頭


目前,戰鬥機與大型運輸機主要使用的航空噴氣式發動機,細分包括渦噴發動機與渦扇發動機兩種。航空噴氣式發動機基本工作原理就是通過燃燒航空煤油,將化學能轉化為動能。噴氣式發動機仍然屬於熱機的一種,遵循熱機的做功原則:在高壓下輸入能量,低壓下釋放能量。


從航空噴氣式發動機的結構來看,由前向後分別為進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪與尾噴管,渦扇發動機在壓氣機前面還有風扇。作為燃油爆燃的位置,燃燒室處在結構的中央,提問者關於只向後噴射的疑問,可以理解。

渦扇發動機解剖圖

事實上,在發動機點火之前,已經施加了外力讓發動機轉了起來。一般由地面電源提供動力,機載電動機驅動渦輪軸先轉起來,形成後吸氣流,再帶動壓氣機旋轉,形成由前至後的穩定氣流後,才會在燃燒室點燃煤油。如果不預先轉動發動機,燃燒室那點空氣也就不足以點燃航煤。

渦噴發動機結構圖:1進氣道、2風扇、3壓氣機、4燃燒室、5壓氣機與噴口

我們拿AL-31F發動機為例,壓氣機有 4級風扇葉片和9級壓縮葉片,環形燃燒室後,有2級渦輪渦輪葉片。從構造上看,雖然壓氣機葉片轉速小於渦輪葉片,但燃燒室前葉片盤數多,很容易構建由前至後的高-低壓力環境,那高溫燃氣就只能向噴口位置噴射釋放能量了。

殲-10戰機電源車供電

通常情況下,發動機啟動有地面地源供電,緊急情況下也可由機載電瓶供電。殲-11這種重型戰機還配置了小發動機,先啟動小發動機,再由小發動機帶動大發動機,達到啟動發動機的目的。

F-22APU輔助啟動裝置地面試驗

F-22戰機還採用APU輔助啟動裝置,通過化學燃料爆燃驅動轉子轉動。如圖,APU爆燃時,機身上下有洩壓口噴射煙火。


紅龍軍團長


題主所說的航空發動機是噴氣式發動機吧。噴氣式發動機本質上也是一種內燃機,遵從布萊頓循環,其完整的熱力循環由絕熱壓縮過程、定壓加熱過程、絕熱膨脹過程和定壓放熱過程組成。

至於為什麼燃料和空氣混合燃燒膨脹後只向後面噴射,其實是因為發動機在穩定循環時,內部壓力場分佈以及壓氣機轉動方向阻礙了燃氣向前噴射,別無選擇的燃氣只能是在推動渦輪旋轉後向後噴出去。我們來看看噴氣式發動機的循環過程就知道了。

上圖是一個渦輪噴氣式發動機,我們就以它為例講講如何循環。首先空氣從進氣道被壓氣機(Compressor)吸入,然後,要經過十幾級的壓氣機渦輪,空氣壓力逐級增大,由於空氣被壓縮,因此涵道也是不斷變窄的,並在壓氣機最後一級達到最高,這個過程相當於絕熱壓縮;經過壓氣機後,在擴散段(Diffuser)被燃燒室的高溫加熱後壓力變的更定,並與燃料混合燃燒,這個相當於定壓加熱;燃氣在燃燒室燃燒後沿著錐形的燃燒室迅速膨脹,這個相當於絕熱膨脹過程;經過渦輪後的廢氣向後排出噴管。渦輪的轉動帶動傳動軸高速旋轉,又驅動前方的壓氣機繼續轉動壓縮空氣,形成穩定循環。

在這一過程中,壓氣機和擴散受到空氣的反作用力,按照圖上的分別是19049磅和2186磅,而在燃燒室受到的燃料燃燒產生的高溫膨脹產生向前的推力是34182磅,這部分是最大的。但是不要得意,燃氣的膨脹其實是各個方向都有的,高溫燃氣向後膨脹就會推動渦輪作用,這時產生的推力是向後的,達到了41091磅。經過燃氣渦輪後對尾噴口還有一個部分向後的推力5587磅。完全噴出尾噴口後,由於反衝原理,還會在產生一個向前的力,即那個2419磅的推力。所以綜合算下來,發動機受到向前的淨推力是:19049+2186+34182+2419-41091-5587=11158磅。

發動機實際對應的布萊頓循環過程

瞭解了噴氣式發動機的循環後,我們再來看發動機內部的壓力場分佈。通過布萊頓循環我們可以知道,絕熱壓縮其實是一個不可逆的過程,所以從原理上,要想實現循環,就必須是空氣單向從前段吸入,逐級壓縮變為高壓,或者換句話說,壓氣機的轉動方向要始終保持一個方向。看下圖,空氣在進氣前壓力最小,到高壓壓氣機最後一級時壓力最大,根據像一堵牆一樣擋在。根據流體力學的原則,流體總是從壓力的大地方向壓力小的地方流動,這個原則就保證了燃氣不會從前面的壓氣機洩露出來。

當然了,以上只是拿比較簡單的單級傳動的渦輪噴氣發動機舉例,實際上現在用的渦輪噴氣和渦扇發動機都是二級傳動的,也就是分為低壓壓氣機,低壓渦輪,高壓壓氣機,高壓渦輪。雖然是靠一份傳動軸,但低壓件和高壓件轉速並不一致,低壓壓氣機和低壓渦輪轉速相同,高壓壓氣機和高壓渦輪轉速相同。

二級傳動的渦輪噴氣發動機


宣仔


所以衝壓式噴氣發動機不能靜態啟動,要用火箭發射以獲初始速度,衝壓式發動機可獲前方進入的高壓氣流,噴油點火向後噴射再獲前進動力。而渦噴,渦扇則已由高低壓渦輪已向後方輸送高壓氣流。


山騾


你在電風扇後面,點煤氣灶看看,有風扇往後吹。


FA恐龍


其實答案就兩個字“慣性”任何有質量的東西都具有慣性,空氣也不例外!事先由外動力帶動旋轉的不管是高壓軸還是低壓軸都讓內涵道有了一股從前往後的氣流!


Li大文


因為空氣壓力,用燃料火焰加熱空氣使空氣膨脹從尾部噴出高壓空氣獲得向前的動力。

說白了就是一個內燃機,只不過把活塞換成直接噴射的了。

圖解:




溺水的章魚


前面壓力比後面大,所以往後噴


我就是肥崽


是啊,我也不明白槍的子彈為啥只向前飛不向後飛啊!🎆🎃😇


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