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渦輪噴氣發動機

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渦輪噴氣發動機是一種渦輪發動機。特點是完全依賴燃氣流產生推力。通常用作高速飛機的動力。油耗比渦輪風扇發動機高。渦噴發動機分為離心式與軸流式兩種,離心式由英國人弗蘭克·惠特爾爵士於1930年取得發明專利,但是直到1941年裝有這種發動機的飛機才第一次上天,沒有參加第二次世界大戰,軸流式誕生在德國,並且作為第一種實用的噴氣式戰鬥機Me-262的動力參加了1945年末的戰鬥。相比起離心式渦噴發動機,軸流式具有橫截面小,壓縮比高的優點,當今的渦噴發動機均為軸流式。

1概述

推進效率
在馬赫數 Ma<0.6 的速度下渦輪螺旋槳發動機效率最高。而當速度提高到馬赫數 0.6-0.9 時,螺旋槳/渦輪組合的優越性在一定程度上被內外涵發動機、涵道風扇發動機和槳扇發動機所取
渦輪噴氣發動機

  渦輪噴氣發動機

代。這些發動機的排氣比純噴氣的渦輪噴氣發動機的排氣流量大而噴氣速度低,因而,其推進效率與渦輪螺旋槳發動機相當,超過了純噴氣發動機的推進效率。在亞音速(Ma<1.0)條件下,渦輪噴氣發動機的推進效率最低。當飛機飛行速度超過音速后(Ma>1.0),渦扇發動機由於迎風面積過大從而推進效率開始降低;與此相反,渦輪噴氣發動機的推進效率則迅速提升,即使在馬赫數 2.5-3.0 範圍下,渦輪噴氣發動機的推進效率仍然可以達到 90%,正因為如此,與三代機普遍使用的涵道比為0.5-0.8的中等涵道比渦扇發動機相比,F-22使用的F-119渦扇發動機把涵道比降回到0.29,為的就是能夠實現(Ma1.4)的超音速巡航。
每種發動機都有它們最佳使用的飛行包線-(由速度x/高度y構成的xy坐標系),並不是說渦扇發動機一定比渦噴發動機省油,在超音速時,同樣開加力燃燒室的渦扇發動機比渦噴發動機耗油率還高。
渦輪火箭發動機
渦輪/火箭發動機與渦輪/衝壓噴氣發動機的結構相似,一個重要的差異在於它自備燃燒用的氧。這種發動機有一多級渦輪驅動的低壓壓氣機,而驅動渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產生的。因為燃氣溫度可高達3500度,在燃氣進入渦輪前,需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然後這種富油混合氣(燃氣)用壓氣機流來的空氣稀釋,殘餘的燃油在常規加力系統中燃燒。雖然這種發動機比渦輪/衝壓噴氣發動機小且輕,但是,其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截擊機或者航天器的發射載機。這些飛機要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而無須長的續航時間。

2發展歷史

關鍵問題
問題就出在螺旋槳上,當飛機的速度達到800公里每小時,由於螺旋槳始終在高速旋轉,槳尖部分實際上已接近了音速,這種跨音速流場的直接後果就是螺旋槳的效率急劇下降,推力下降,同時,由於螺旋槳的迎風面積較大,帶來的阻力也較大,而且,隨著飛行高度的上升,大氣變稀薄,活塞式發動機的功率也會急劇下降。這幾個因素合在一起,決定了活塞式發動機+螺旋槳的推進模式已經走到了盡頭,要想進一步提高飛行性能,必須採用全新的推進模式,噴氣發動機應運而生。
渦輪噴氣發動機

  渦輪噴氣發動機

噴氣推進的原理大家並不陌生,根據牛頓第三定律,作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴氣發動機在工作時,從前端吸入大量的空氣,燃燒后高速噴出,在此過程中,發動機向氣體施加力,使之向後加速,氣體也給發動機一個反作用力,推動飛機前進。事實上,這一原理很早就被應用於實踐中,我們玩過的爆竹,就是依靠尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。
進步
隨著航空燃氣渦輪技術的進步,人們在渦輪噴氣發動機的基礎上,又發展了多種噴氣發動機,如根據增壓技術的不同,有衝壓發動機和脈動發動機;根據能量輸出的不同,有渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和螺槳風扇發動機等。
噴氣發動機儘管在低速時油耗要大於活塞式發動機,但其優異的高速性能使其迅速取代了後者,成為航空發動機的主流。

3工作原理

現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成,戰鬥機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發動機仍屬於熱機的一種,就必須遵循熱機的做功原則:在高壓下輸入能量,低壓下釋放能量。因此,從產生輸出能量的原理上講,噴氣式發動機和活塞式發動機是相同的,都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段,不同的是,在活塞式發動機中這4個階段是分時依次進行的,但在噴氣發動機中則是連續進行的,氣體依次流經噴氣發動機的各個部分,就對應著活塞式發動機的四個工作位置。
空氣首先進入的是發動機的進氣道,當飛機飛行時,可以看作氣流以飛行速度流向發動機,由於飛機飛行的速度是變化的,而壓氣機適應的來流速度是有一定的範圍的,因而進氣道的功能就是通過可調管道,將來流調整為合適的速度。在超音速飛行時,在進氣道前和進氣道內氣流速度減至亞音速,此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍,大大超過壓氣機中的壓力提高倍數,因而產生了單靠速度衝壓,不需壓氣機的衝壓噴氣發動機。
進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流的壓力的,空氣流過壓氣機時,壓氣機工作葉片對氣流做功,使氣流的壓力,溫度升高。在亞音速時,壓氣機是氣流增壓的主要部件。
從燃燒室流出的高溫高壓燃氣,流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能,帶動壓氣機旋轉,在渦輪噴氣發動機中,氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等於壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經過燃燒后,渦輪前的燃氣能量大大增加,因而在渦輪中的膨脹比遠小於壓氣機中的壓縮比,渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多,發動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。
從渦輪中流出的高溫高壓燃氣,在尾噴管中繼續膨脹,以高速沿發動機軸向從噴口向後排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多,使發動機獲得了反作用的推力。
一般來講,當氣流從燃燒室出來時的溫度越高,輸入的能量就越大,發動機的推力也就越大。但是,由於渦輪材料等的限制,只能達到1650K左右,現代戰鬥機有時需要短時間增加推力,就在渦輪后再加上一個加力燃燒室噴入燃油,讓未充分燃燒的燃氣與噴入的燃油混合再次燃燒,由於加力燃燒室內無旋轉部件,溫度可達2000K,可使發動機的推力增加至1.5倍左右。其缺點就是油耗急劇加大,同時過高的溫度也影響發動機的壽命,因此發動機開加力一般是有時限的,低空不過十幾秒,多用於起飛或戰鬥時,在高空則可開較長的時間。

4結構

壓氣機
壓氣機由定子(stator)頁片與轉子(rotor)頁片交錯組成,一對定子頁片與轉子頁片稱為一級,定子固定在發動機框架上,轉子由轉子軸與渦輪相連。現役渦噴發動機一般為8-12級壓氣機。級數越多越往後壓力越大,當戰鬥機突然做高g機動時,流入壓氣機前級的空氣壓力驟降,而後級壓力很高,此時會出現后級高壓空氣反向膨脹,發動機工作極不穩定的狀況,工程上稱為「喘振」,這是發動機最致命的事故,很有可能造成停車甚至結構毀壞。防止「喘振」發生有幾種辦法。經驗表明喘振多發生在壓氣機的5,6級間,在次區間設置放氣環,以使壓力出現異常時及時泄壓可避免喘振的發生。或者將轉子軸做成兩層同心空筒,分別連接前級低壓壓氣機與渦輪,后級高壓壓氣機與另一組渦輪,兩套轉子組互相獨立,在壓力異常時自動調節轉速,也可避免喘振。
噴管
噴管(nozzle,或稱噴嘴)的形狀結構決定了最終排除的氣流的狀態,早期的低速發動機採用單純收斂型噴管,以達到增速的目的。根據牛頓第三定律,燃氣噴出速度越大,飛機將獲得越大的反作用力。但是這種方式增速是有限的,因為最終氣流速度會達到音速,這時出現激波阻止氣體速度的增加。而採用收斂-擴張噴管(也稱為拉瓦爾噴管)能獲得超音速的噴氣流。飛機的機動性來主要源於翼面提供的空氣動力,而當機動性要求很高時可直接利用噴氣流的推力。在噴管口加裝燃氣舵面或直接採用可偏轉噴管(也稱為推力矢量噴管,或向量推力噴嘴)是歷史上兩種方案,其中後者已經進入實際應用階段。著名的俄羅斯Su-30、Su-37戰機的高超機動性就得益於留里卡設計局的AL-31推力矢量發動機。燃氣舵面的代表是美國的X-31技術驗證機。

加力燃燒室

在經過渦輪后的高溫燃氣中仍然含有部分未來得及消耗的氧氣,在這樣的燃氣中繼續注入煤油仍然能夠燃燒,產生額外的推力。所以某些高性能戰機的發動機在渦輪后增加了一個加力燃燒室(afterburner,或后燃器),以達到在短時間裡大幅度提高發動機推力的目的。一般而言加力燃燒能在短時間裡將最大推力提高50%,但是油耗驚人,一般僅用於起飛或應付激烈的空中纏鬥,不可能用於長時間的超音速巡航。

5基本參數

推力重量比:Thrust to weight ratio,代表發動機推力與發動機本身重量之比值,愈大者性能愈好。
壓氣機級數:代表壓縮機的壓縮葉片有幾級,通常級數愈大者壓縮比愈大。
渦輪級數:代表渦輪機的渦輪葉片有幾級。
壓縮比:進氣被壓縮機壓縮後的壓力,與壓縮前的壓力之比值,通常愈大者性能愈好。
海平面最大凈推力:發動機在海平面高度及條件,與外界空氣的速度差(空速)為零時,全速運轉所產生的推力,被使用的單位包括kN(千牛頓)、kg(公斤)、lb(磅)等。
單位推力小時耗油率:又稱比推力(specific thrust),耗油率與推力之比,公制單位為kg/N-h,愈小者愈省油。
渦輪前溫度:燃燒後之高溫高壓氣流進入渦輪機之前的溫度,通常愈大者性能愈好。
燃氣出口溫度:廢氣離開渦輪機排出時的溫度。
平均故障時間:每具發動機發生兩次故障的間隔時間之總平均,愈長者愈不易故障,通常維護成本也愈低。

6使用情況

渦噴發動機適合航行的範圍很廣,從低空低亞音速到高空超音速飛機都廣泛應用。前蘇聯的傳奇戰鬥機米格-25高空超音速戰機即採用留里卡設計局的渦噴發動機作為動力,曾經創下3.3馬赫的戰鬥機速度紀錄與37250米的升限紀錄。(這個紀錄在一段時間內不太可能被打破的)
與渦輪風扇發動機相比,渦噴發動機燃油經濟性要差一些,但是高速性能要優於渦扇,特別是高空高速性能。
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