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雙路式渦輪噴氣發動機

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渦輪發動機通過增加空氣流過發動機的速度來產生推力。它包括進氣道,壓縮器,燃燒室,渦輪節,和排氣節。

1 雙路式渦輪噴氣發動機 -渦輪發動機的優點

  渦輪發動機相比往複式發動機有下列優點:振動少,增加飛機性能,可靠性高,和容易操作。

2 雙路式渦輪噴氣發動機 -渦輪發動機類型

  渦輪發動機是根據它們使用的壓縮器類型來分類的。壓縮器類型分為三類:離心流式,軸流式,和離心軸流式。離心流式發動機中進氣道空氣是通過加速空氣以垂直於機器縱軸的方向排出而得到壓縮的。軸流式發動機通過一系列旋轉和平行於縱軸移動空氣的固定翼形而壓縮空氣。離心軸流式設計使用這兩類壓縮器來獲得需要的壓縮。
  空氣經過發動機的路徑和如何產生功率確定了發動機的類型。有四種類型的飛機渦輪發動機-渦輪噴氣發動機,渦輪螺旋槳發動機,渦輪風扇發動機和渦輪軸發動機。渦輪噴氣發動機

  渦輪噴氣發動機包含四節:壓縮器,燃燒室,渦輪節,和排氣節。壓縮器部分空氣以高速度通過進氣道到達燃燒室。燃燒室包含燃油入口和用於燃燒的點火器。膨脹的空氣驅動渦輪,渦輪通過軸連接到壓縮器,支持發動機的運行。從發動機排出加速的排氣提供推力。這是基本應用了壓縮空氣,點燃油氣混合物,產生動力以自維持發動機運行,和用於推進的排氣。
  渦輪噴氣發動機受限於航程和續航力。它們在低壓縮器速度時對油門的反應也慢。渦輪螺旋槳發動機

  渦輪螺旋槳發動機是一個通過減速齒輪驅動螺旋槳的渦輪發動機。排出氣體驅動一個動力渦輪機,它通過一個軸和減速齒輪組件連接。減速齒輪在渦輪螺旋槳發動機上是必須的,因為螺旋槳轉速比發動機運行轉速低得多的時候才能得到最佳螺旋槳性能。渦輪螺旋槳發動機是渦輪噴氣發動機和往複式發動機的一個折衷產物。渦輪螺旋槳發動機最有效率的速度範圍是250mph到400mph(英里每小時),高度位於18000英尺到30000英尺。它們在起飛和著陸時低空速狀態也能很好的運行,燃油效率也好。渦輪螺旋槳發動機的最小單位燃油消耗通常位於高度範圍25000英尺到對流層頂。渦輪風扇發動機

  渦輪風扇發動機的發展結合了渦輪噴氣發動機和渦輪螺旋槳發動機的一些最好特徵。渦輪風扇發動機的設計是通過轉移燃燒室周圍的次級氣流來產生額外的推力。渦輪風扇發動機旁路空氣產生了增強的推力,冷卻了發動機,有助於抑制排氣噪音。這能夠獲得渦輪噴氣型發動機的巡航速度和更低的燃油消耗。
  通過渦輪風扇發動機的進氣道空氣通常被分成兩個分離的氣流。一個氣流通過發動機的中心部分,而另一股氣流從發動機中心旁路通過。正是這個旁路的氣流才有術語「雙路式渦輪噴氣發動機」。渦輪風扇發動機的函道比(bypass ratio)是指通過風扇的氣流質量和通過發動機中心的氣流質量之比。 渦輪軸發動機

  第四種常規類型的噴氣發動機是渦輪軸發動機。它把動力傳遞到一個不是驅動螺旋槳的軸上。渦輪噴氣發動機和渦輪軸發動機的最大區別是在渦輪軸發動機上,膨脹氣體產生的大多數能量是用於驅動一個渦輪而不是產生推力。很多直升飛機使用一個渦輪軸氣體渦輪發動機。另外,渦輪軸發動機在大飛機上廣泛用作輔助動力裝置(APU)。

3 雙路式渦輪噴氣發動機 -性能對比

  對比往複式發動機和不同類型渦輪發動機的性能是可能的。然而,要準確的比較,往複式發動機必須使用推力馬力(即有用馬力)而不是制動馬力,渦輪發動機必須使用凈推力。此外,飛機設計配置和大小必須基本相同。
  1) BHP-制動馬力是實際傳遞到輸出軸的馬力。制動馬力是實際可用的馬力。
  2) 凈推力-渦輪噴氣發動機或者渦輪風扇發動機產生的推力。
  3) THP-推進馬力是渦輪噴氣發動機或者渦輪風扇發動機產生的推力的等效馬力。
  4) ESH-就渦輪螺旋槳發動機來說,-等效軸馬力是傳遞到螺旋槳的軸馬力(SHP)和排氣產生的推進馬力之和。

4 雙路式渦輪噴氣發動機 -發動機對比情況

  圖2顯示了四種類型發動機的凈推力隨空速增加的對比情況。這個圖只用於說明目的,不是特定型號的發動機的。四種類型的發動機是:
  往複式發動機
  渦輪機,螺旋槳組合(渦輪螺旋槳發動機)
  渦輪風扇發動機
  渦輪噴氣發動機(純粹的噴氣發動機)
  這個對比是通過描繪每個發動機的性能曲線,它顯示了最大飛機速度隨所用發動機類型的不同如何變化的。因為這個圖只是為了對比,凈推力,飛機速度和阻力的數值就沒有包含。
  四種發動機基於凈推力的對比使其性能能力很明顯。在直線A左邊的速度範圍內,往複式發動機勝過其他三種類型。在直線C的左側範圍渦輪螺旋槳發動機勝出渦輪風扇發動機。在直線F的左側範圍內渦輪風扇發動機勝出渦輪噴氣發動機。在直線B的右側範圍渦輪風扇發動機勝出往複式發動機,在直線C的右側渦輪風扇發動機勝出渦輪螺旋槳發動機。直線D的右側渦輪噴氣發動機勝出往複式發動機,直線E的右側渦輪噴氣發動機勝出渦輪螺旋槳發動機,在直線F的右側它勝出了渦輪風扇發動機。
  飛機阻力曲線和凈推力曲線的交點是最大飛機速度所在點。從每個點到圖的橫軸的垂直線說明渦輪噴氣飛機可以達到的最大速度比裝配其他類型發動機的飛機更高。裝配渦輪風扇發動機的飛機比裝配渦輪螺旋槳或者往複式發動機的飛機將達到更高的最大速度。

5 雙路式渦輪噴氣發動機 -渦輪發動機儀錶

  指示潤滑油壓力,潤滑油溫度,發動機速度,排氣溫度和燃油流量的發動機儀錶對於渦輪發動機和往複式發動機都是普通的。然而,有一些儀錶是渦輪發動機特有的。這些儀錶指示發動機的發動機壓力比,渦輪機輸送壓力,和扭矩。另外,大多數燃氣渦輪發動機有多個溫度敏感儀錶,稱為熱電偶,它向飛行員提供渦輪節內部和周圍的溫度讀數。

6 雙路式渦輪噴氣發動機 -發動機壓力比

  發動機壓力比儀錶用於指示渦輪噴氣或渦輪風扇發動機的輸出功率。EPR是渦輪機排氣壓力和壓縮段進氣壓力的比值。壓力測量由安裝在發動機進氣口和排氣口的探頭記錄下來。一旦收集到數據,就會被送到一個差壓變換器,它被指示在駕駛艙的EPR儀錶上。
  EPR系統的設計會自動的補償空速和高度的影響。然而,環境溫度的變化要求對EPR指示進行校正來獲得準確的發動機功率設定。

7 雙路式渦輪噴氣發動機 -排氣溫度

  燃氣渦輪發動機中的一個限制因素是渦輪節的溫度。渦輪節的溫度必須密切監視,以防渦輪葉片和其他排氣節部件的過熱。一個監視渦輪節溫度的常用方法就是使用排氣溫度(EGT)表。EGT是一個用於監視發動機總體運行狀況的發動機運行限制。
  EGT系統的變體根據溫度感測器的位置有不同的名字。常規渦輪機溫度感測儀錶包含渦輪進口溫度(TIT)表,渦輪出口溫度(TOT)表,渦輪級間溫度(ITT)表,和渦輪燃氣溫度(TGT)表。

8 雙路式渦輪噴氣發動機 -扭矩計

  渦輪螺旋槳/渦輪軸發動機輸出功率通過扭矩計測量。扭矩是作用於軸上的扭轉力。扭矩計測量作用於軸上的功率。渦輪螺旋槳和渦輪軸發動機是設計用於產生驅動螺旋槳的扭矩。扭矩計以百分單位,尺磅,或磅每平方英寸作為刻度。

9 雙路式渦輪噴氣發動機 -N1指示器

  N1表示低壓壓縮機的旋轉速度,以設計轉速的百分比顯示在指示器上。發動后低壓壓縮機的速度有N1渦輪機葉輪調節。N1渦輪機葉輪通過同心軸連接到低壓壓縮機。

10 雙路式渦輪噴氣發動機 -N2指示器

  N2表示高壓壓縮機的旋轉速度,以設計轉速的百分比顯示在指示器上。高壓壓縮機由N2渦輪機葉輪調節。N2渦輪機葉輪通過一個同心軸連接到高壓壓縮機上。如圖3

11 雙路式渦輪噴氣發動機 -渦輪發動機操作考慮

  因為渦輪發動機非常多樣,在本手冊中講解詳細的運行過程是不切實際的。然而,有一些適用於所有渦輪發動機的操作考慮。它們是發動機溫度限制,外界物體破壞,熱啟動,壓縮機失速和熄火。發動機溫度限制

  任何渦輪發動機的最高溫度都發生在渦輪進氣口。渦輪進氣溫度因此通常是渦輪發動機運行的限制因素。推力變化

  渦輪發動機推力直接隨空氣密度變化。當空氣密度降低時,推力也降低。當渦輪和往複式發動機受高的相對濕度有某種影響時,渦輪發動機推力損失可以忽略不計,而往複式發動機的制動馬力會降低很多。外來物體損傷

  由於渦輪發動機進氣口的設計和功能,吸入物體碎片的可能性總是存在的。這會導致重大的損壞,特別是壓縮機和渦輪節。當發生這樣的事情時,稱為外來物體損傷(FOD)。典型的FOD是吸入來自停機坪,滑行道或者跑道上的小物體導致的小凹痕和花邊。但是,也會發生飛鳥撞擊或者冰吸入導致的FOD損壞,可能導致發動機整個損毀。
  外物損傷的預防是非常重要的。地面運行期間,一些發動機進氣口有在地面和進氣口之間形成渦流的趨勢。在這些發動機上可能安裝了一個渦流消散器。
  也可能使用其他設備,如屏幕和/或偏轉器。飛行前檢查程序包括一個對任何外物損傷跡象的目視檢查。渦輪發動

  熱啟動是當EGT超過安全限制時的啟動。熱啟動是由於太多燃油進入燃燒室或者是渦輪機轉速不夠引起的。只要發動機熱啟動時,參考飛機飛行手冊,飛行員操作手冊或者相關的維護手冊來了解檢查要求。
  如果點火后發動機不能加速到適合的速度或者沒加速到慢車轉速,這時就發生了懸挂啟動。懸挂啟動也可以稱為假啟動。懸挂啟動可能是由於啟動動力源不足或者燃油控制故障而導致。壓縮機失速

  壓縮機葉片是小的翼型,遵守適用於任何翼型的相同空氣動力學原理。壓縮機葉片有一個迎角。迎角是進氣口空氣速度和壓縮機旋轉速度的計算結果。這兩個力合成構成一個向量,它確定了翼型衝擊進氣口空氣的實際迎角。
  壓縮機失速可以描述為進氣口速度和壓縮機旋轉速度這兩個向量數值的失衡。當壓縮機葉片迎角超過臨界迎角時發生壓縮機失速。在這個點上,平穩氣流受到干擾,隨著壓力波動產生了紊流。壓縮機失速導致空氣流進壓縮機時速度降低和停滯,有時還反向流動。如圖4
  壓縮機失速可以是瞬時現象和間歇性現象或者是持續的狀態,甚至更嚴重。瞬時/間歇性失速的表現通常是在回火和反向氣流發生時間歇的爆炸聲。如果失速發展成為穩定狀態,可能從持續的反向氣流產生強烈的振動和高聲的嘯叫。駕駛艙儀錶基本上通常不會顯示輕度的或者瞬時失速,但是會顯示形成的失速。典型的儀錶表現包括轉速的波動和排氣溫度的增加。大多數瞬時失速不會對發動機有害,經常在一兩個周期后自己糾正過來。穩定狀態的失速導致發動機損壞的可能性很大。必須快速的通過降低功率,減小飛機迎角和增加空速來完成改出失速。
  儘管所有的燃氣渦輪發動機會受壓縮機失速影響,大多數型號都有抑制這些失速的系統。有一個這樣的系統使用可變式進氣口導葉(VIGV)和可變式定子葉片,它可以把進來的空氣以適當的迎角導向到轉子槳葉。防止空氣壓縮失速的主要方法是使飛機在製造商確立的參數範圍內運行。如果壓縮機失速確實形成了,請按照飛機飛行手冊或者飛行員操作手冊中的建議程序來做。熄火

  熄火是燃氣渦輪發動機的一種運行狀態,此時發動機的火無意的熄滅。如果燃燒室中油氣混合比超過富油限制,火焰將會被吹熄。這個狀態經常稱為富油熄火。它通常發生於非常快速的發動機加速,過度富油的混合氣使燃油溫度降低到燃燒溫度以下。也可能由於氣流不足而不能維持燃燒。
  另一方面,更多常規的熄火事件是由於燃油壓力低和發動機速度低,這些典型的和高高度飛行有關。這種情況也會在下降期間發動機油門收回時,這會產生貧油條件熄火。貧油混合器很容易導致火焰熄滅,甚至是正常的氣流通過發動機時也會發生。
  燃油供應的任何干擾也會導致熄火。這原因可能是長時間的非常規姿態,發生故障的燃油控制系統,紊流,結冰或者燃油耗盡。
  熄火的徵兆通常和發動機失效后一樣。如果熄火是因為瞬時條件,例如燃油流量和發動機速度之間的失衡,一旦狀態被糾正就可以嘗試空中啟動發動機。無論如何,飛行員必須遵守飛機飛行手冊或者飛行員操作手冊中適用的緊急程序。一般的,這些程序包含了關於高度和空速的建議,在這些條件下空中開車很可能成功。
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