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渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖—渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖—渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(英語(yǔ):Turbojet,簡(jiǎn)稱噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))是一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。特點(diǎn)是完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力。通常用作高速飛機(jī)的動(dòng)力。油耗比渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)高。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)分為離心式與軸流式兩種,離心式由英國(guó)人弗蘭克·惠特爾爵士于1930年取得發(fā)明專利,但是直到1941年裝有這種發(fā)動(dòng)機(jī)的E-28/39才第一次上天,一直試飛到了1944年,因此沒(méi)有參加第二次世界大戰(zhàn)。二戰(zhàn)盟軍唯一參與過(guò)作戰(zhàn)噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)是格洛斯特流星式。軸流式誕生在德國(guó),并且作為第一種實(shí)用的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me-262的動(dòng)力參加了1944年末的戰(zhàn)斗。相比起離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),軸流式具有橫截面小,壓縮比高的優(yōu)點(diǎn),但是需要較高品質(zhì)的材料——這在1945年左右是極為稀少和昂貴的。當(dāng)今的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)多為軸流式,而小型發(fā)動(dòng)機(jī)上仍可能使用離心式壓縮,以減輕重量和減去不必要的推力。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖—渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

離心式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理示意圖 圖片注釋:順時(shí)針依次為:離心葉輪(壓縮機(jī)),軸,渦輪機(jī),噴嘴,燃燒室

軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理示意圖 圖片注釋:左至右依次為:壓氣機(jī)、燃燒室、軸、渦輪、尾噴管

軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖,空氣首先進(jìn)入進(jìn)氣道,因?yàn)轱w機(jī)飛行的狀態(tài)是變化的,進(jìn)氣道需要保證空氣最后能順利的進(jìn)入下一結(jié)構(gòu):壓氣機(jī)。進(jìn)氣道的主要作用就是將空氣在進(jìn)入壓氣機(jī)之前調(diào)整到發(fā)動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在超音速飛行時(shí),機(jī)頭與進(jìn)氣道口都會(huì)產(chǎn)生激波,空氣經(jīng)過(guò)激波壓力會(huì)升高,因此進(jìn)氣道能起一定的預(yù)壓縮作用,但是激波位置不適當(dāng)將造成局部壓力的不均勻,甚至有可能損壞壓氣機(jī)。所以一般超音速飛機(jī)的進(jìn)氣道口都有一個(gè)激波調(diào)節(jié)錐,根據(jù)空速的情況調(diào)節(jié)激波的位置。

兩側(cè)進(jìn)氣或機(jī)腹進(jìn)氣的飛機(jī)由于進(jìn)氣道緊貼機(jī)身,會(huì)受到附面層的影響,還會(huì)附帶一個(gè)附面層調(diào)節(jié)裝置。所謂附面層是指緊貼機(jī)身表面流動(dòng)的一層空氣,其流速遠(yuǎn)低于周圍空氣,但其靜壓比周圍高,形成壓力梯度。因?yàn)槠淠芰康停贿m于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)而需要排除。當(dāng)飛機(jī)有一定迎角時(shí)由于壓力梯度的變化,在壓力梯度加大的部分(如背風(fēng)面)將發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象,即本來(lái)緊貼機(jī)身的附面層在某一點(diǎn)突然脫離,形成湍流。

湍流是相對(duì)來(lái)說(shuō)的,簡(jiǎn)單說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)不規(guī)則的流體,嚴(yán)格的說(shuō)所有的流動(dòng)都是湍流。湍流的發(fā)生機(jī)制、過(guò)程的模型化現(xiàn)在都不太清楚。但是非指湍流不好,在發(fā)動(dòng)機(jī)中很多地方例如在燃燒過(guò)程就要充分利用湍流。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)畫(huà)

一個(gè)典型的軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖解(淺藍(lán)色箭頭為氣流流向)

圖片注釋:1 - 吸入, 2 - 低壓壓縮, 3 - 高壓壓縮, 4 - 燃燒, 5 - 排氣, 6 - 熱區(qū)域, 7 - 渦輪機(jī), 8 - 燃燒室, 9 - 冷區(qū)域, 10 - 進(jìn)氣口

壓氣機(jī)的渦輪葉片由定子(stator)葉片與轉(zhuǎn)子(rotor)葉片交錯(cuò)組成,一對(duì)定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片稱為一級(jí),定子固定在發(fā)動(dòng)機(jī)框架上,轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與渦輪相連。現(xiàn)役渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一般為8-12級(jí)壓氣機(jī)。級(jí)數(shù)越多越往后壓力越大,當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)突然做高機(jī)動(dòng)時(shí),流入壓氣機(jī)前級(jí)的空氣壓力驟降,而后級(jí)壓力很高,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)后級(jí)高壓空氣反向膨脹,發(fā)動(dòng)機(jī)工作極不穩(wěn)定的狀況,工程上稱為“喘振”,這是發(fā)動(dòng)機(jī)最致命的事故,很有可能造成熄火甚至結(jié)構(gòu)毀壞。 防止“喘振”發(fā)生有幾種辦法。經(jīng)驗(yàn)表明喘振多發(fā)生在壓氣機(jī)的5,6級(jí)間,在此區(qū)間設(shè)置放氣環(huán),以使壓力出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)泄壓可避免喘振的發(fā)生。或者將轉(zhuǎn)子軸做成兩層同心空筒,分別連接前級(jí)低壓壓氣機(jī)與渦輪,后級(jí)高壓壓氣機(jī)與另一組渦輪,兩套轉(zhuǎn)子組互相獨(dú)立,在壓力異常時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,也可避免喘振。

空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與煤油混合燃燒,膨脹做功;緊接著流過(guò)渦輪,推動(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)闇u輪與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連在一根軸上,所以壓氣機(jī),壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的。最后高溫高速燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管噴出,以反作用力提供動(dòng)力。燃燒室最初形式是幾個(gè)圍繞轉(zhuǎn)子軸環(huán)狀并列的圓筒小燃燒室,每個(gè)筒都不是密封的,而是在適當(dāng)?shù)牡胤介_(kāi)有孔,所以整個(gè)燃燒室是連通的,后來(lái)發(fā)展到環(huán)形燃燒室,結(jié)構(gòu)緊湊,但是整個(gè)流體環(huán)境不如筒狀燃燒室,還有結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)的組合型燃燒室。

渦輪始終工作在極端條件下,對(duì)其材料、制造工藝有著極其苛刻的要求。目前多采用粉末冶金的空心葉片,整體鑄造,即所有葉片與葉盤一次鑄造成型。相比起早期每個(gè)葉片與葉盤都分體鑄造,再用榫接起來(lái),省去了大量接頭的質(zhì)量。制造材料多為耐高溫合金材料,中空葉片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰(zhàn)機(jī)研制的新型發(fā)動(dòng)機(jī)將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的葉片。這些手段都是為了提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一:渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率,高功率。

噴管(nozzle)的形狀結(jié)構(gòu)決定了最終排出的氣流的狀態(tài),早期的低速發(fā)動(dòng)機(jī)采用單純收斂型噴管,以達(dá)到增速的目的。根據(jù)牛頓第二定律,燃?xì)鈬姵鏊俣仍酱螅w機(jī)將獲得越大的反作用力。 但是這種方式增速是有限的,因?yàn)樽罱K氣流速度會(huì)達(dá)到音速,這時(shí)出現(xiàn)激波阻止氣體速度的增加。而采推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī),而世界上第一種正式服役的第五代戰(zhàn)斗機(jī)——美國(guó)的F-22更將此一技術(shù)發(fā)展至一個(gè)更成熟、可靠的層級(jí),比起前兩者也有更好的性能。燃?xì)舛婷娴拇硎敲绹?guó)的X-31技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。

在經(jīng)過(guò)渦輪后的高溫燃?xì)庵腥匀缓胁糠稚形磥?lái)得及消耗的氧氣,在這樣的燃?xì)庵欣^續(xù)注入煤油仍然能夠燃燒,產(chǎn)生額外的推力。所以多數(shù)現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪后加裝了加力燃燒室,以達(dá)到在短時(shí)間里大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的目的。一般而言加力燃燒室能在短時(shí)間里將最大推力提高50%,但是油耗驚人,一般僅用于起飛或應(yīng)付激烈的空中纏斗,唯一可以在超音速巡航時(shí)全程開(kāi)啟、并達(dá)到最佳效率的是SR-71。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)適合航行的范圍很廣,從低空低亞音速到高空超音速飛機(jī)都廣泛應(yīng)用。前蘇聯(lián)的戰(zhàn)斗機(jī)米格-25高空超音速戰(zhàn)機(jī)即采用米庫(kù)林-圖曼斯克設(shè)計(jì)局的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力,曾經(jīng)創(chuàng)下3.3馬赫的戰(zhàn)斗機(jī)速度紀(jì)錄與37250米的升限紀(jì)錄。(這個(gè)紀(jì)錄在一段時(shí)間內(nèi)不太可能被打破的)

與渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比,渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性要差一些,但是高速性能要優(yōu)于渦扇,特別是高空高速性能。

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