浅谈涡喷、涡扇、冲压发动机的原理,特别是喷嘴的差异!


浅谈涡喷、涡扇、冲压发动机的原理,特别是喷嘴的差异!


除了纯电动机外,当代人类利用的绝大多数发动机都是热机,就是需要消耗石油、煤炭、天然气等化石燃料燃烧,带动介质膨胀产生高压,再释放到低压状态完成对外的功能输出。传统的柴油机、汽油机都通过活塞为核心,有进气、加压、燃烧和排气这4个阶段。但是涡轮喷气发动机,却是把这4个阶段合并在一起同时进行。涡轮机的原理,也是谁谁家的古人发明的,这就是走马灯。已经出现了现代涡轮喷气做功的所有主要要素。不过实用化的涡轮喷气发动机,却是在二战前的1930年代到1940年代出现,到二战末期才开始有实用化的喷气飞行的战斗机和巡航导弹。现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气机由于其流线造型和功率可以做的很大,因此特别适合安装在现代飞行器上。

空气首先进入的是涡轮发动机的进气道,当飞机或者采用涡轮机的巡航导弹飞行时,可以看作气流以飞行速度反流向发动机。由于飞机和导弹的飞行速度是变化的,而压气机适应的来流速度是有一定的范围,因而进气道的功能就是通过可调管道,将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时,在进气道前和进气道内气流速度尽量减至亚音速,才不至于让前风扇和前压气机的叶片末端的速度超过音速而产生严重的激波颤振。要把进入进气道初期的超音速气流减速为亚音速气流,现在有好多办法。比如特殊的进气道造型;采用进气道调节锥和内部的扰流调节板;或者现在流行的鼓包进气道调节措施等等。超音速气流在被各种措施减速迟滞的过程中,内部的气压也提高几十倍,甚至会超过多级压气机人工增压的效率。


浅谈涡喷、涡扇、冲压发动机的原理,特别是喷嘴的差异!


因此一旦进气道前的相对来流速度超过2.2马赫,就根本不需要再人工压缩,此时可以直接在这种高压气流中让燃料燃烧再做功,这种发动机就是冲压喷气发动机,而不再是传统的涡轮喷气或者涡扇发动机。普通飞机发动机进气道后的压气机是专门用来提高气流的内压力的。空气流过压气机时,压气机工作叶片对气流做功,使气流的压力,温度升高。在亚音速时,压气机是气流增压的主要部件。而风扇和压气机的动力,都来自燃料在燃烧室燃烧后向后喷到高压和低压涡轮上产生的推动力。涡轮和加气机一样都有多道扇面。而高压涡轮和前高压压气机通过共轴连接。低压涡轮和前低压压气机同样通过一根共轴前后连接。这样只要有燃料持续的燃烧,涡轮喷气发动机就能持续不断地连续工作。在耐久性试验中,这种持续的工作甚至要进行数百小时。而燃烧气流被多级涡轮捕获的能量,只占其中的一部分,大部分还要以远远超过一个大气压的压力向后喷出,获得与喷气方向相反的推动力。

通过涡轮后高压高温燃气产生的反推力就是正常推力。如果想获得更大的临时推力,则需要直接往涡轮后面的空间喷射燃油。由于通过涡轮的燃气温度仍然在400摄氏度以上,可以直接点燃这些燃油而产生更大的膨胀推力,这就是加力后燃器。但是加力后燃器消耗油料太快不经济,大多数只存在战斗机上;当代的民用大客机基本都取消了后燃器。民用大飞机发动机70%的推力,其实并非来源于涡轮喷气而是来自前面的大风扇。大风扇由最后面的燃气涡轮同轴带动。大风扇外圈扇动起的气流不再进入主发动机内涵道,而是直接反推做功。大风扇向后吹的冷气流包裹着从内涵道喷出的热气流,这样会降低噪音同时减少红外特征。


浅谈涡喷、涡扇、冲压发动机的原理,特别是喷嘴的差异!


军用的涡扇发动机其实前面也有风扇,但是风扇的向后吹自然冷气的外涵道占比,远远小于民用大涡扇,大部分气流还要进入内涵道加压加热。不过在经过涡轮和后燃器以后,外部的冷气流还是要和中间的热气流混合。因此涡扇发动机都需要一套可调节聚拢的敛散喷嘴,这样可以把速度比较低的外涵道气流加压加速,获得更大的推力。而且冷热喷气气流混合,也可以减低喷气噪音和降低红外特征。而由于纯粹的涡喷发动机没有外涵道冷气流喷出,而且内涵道燃气的温度和流速本身都比较高,因此大多数纯粹的涡喷发动机的喷嘴都是固定的,不需要调整喷口的大小。瀚海狼山(匈奴狼山)认为,对比歼七等用老式涡喷的飞机和三代以后涡扇发动机的喷嘴,就可以看出明显的差别。而如果喷气速度远远超过音速。那么就需要火箭一样的倒酒杯状的喷嘴,飞机类喷嘴都不适合了。


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