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发表时间 : 2019-1-31 16:51:51 | 浏览 : 6577    评论 : 6

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Para1——喷气式发动机



       喷气式发动机,即以喷出高速气流产生推力为工作原理的……发动机,但是与汽车用的发动机不同,即活塞发动机,活塞发动机是以推动活塞带动旋转传动轴旋转产生运动来工作的,比如汽车发动机带动传动轴旋转,然后传动轴通过转向器使得轮胎旋转从而产生“动力”,而喷气式发动机靠的是高速气流产生的反作用力产生的“动力”,也就是常说的推力。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

简述涡轮航空发动机 - 临云行 - 【临云行】·简述涡轮航空发动机

(喷气发动机与活塞发动机工作过程对比,其实差不多)



       在初中物理我们学过,活塞发动机工作有四个过程,进气-压缩-点燃-排气:首先在进气步骤,气缸内的进气门打开,空气进入气缸内,同时通过偏心轴使得活塞下移,使气缸内充满了空气,以供点燃燃油使用;接下来是压缩环节,空气充满气缸后进气门关闭,偏心轴继续运动使得活塞上移,此时进气门和排气门都处于关闭状态,气缸内的气体被活塞挤压压缩,体积减小内能增大温度上升;接下来是点燃,当活塞上升到最高点,此时气缸内气体体积最小内能最大温度也最高,此时喷油嘴喷出雾状燃油,燃油混合空气,然后电子打火器打出“火花”,燃油被点燃,气体体积剧烈膨胀推动活塞下移,活塞下移通过偏心轴使得传动轴旋转;最后是排气过程,当活塞被点燃的燃油气体推动到最底后,由于轴承继续旋转带动活塞上移,此时排气门打开,气体排出气缸内部。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(喷气式发动机结构,可忽略加力燃烧室和尾喷管)



       喷气式发动机的工作原理,与活塞式发动机一样,也需要经过进气-加压-燃烧-排气四个阶段来获得动力,只不过活塞式发动机这四个过程是分别进行的,而喷气式发动机是同时进行,那么喷气式发动机是如何获得动力的?在进气阶段,气流要经过发动机的进气道,气体流速与飞行速度成正比,而压气机对气流的流速有一定的限制(不能压缩超音速气流),所以在高速飞行时就需要发动机进气道对气流进行预压缩/减速,将超音速的气流减速至亚音速,且由于进气道外与压气机前的气流流速不同,会产生气流滞止现象(可以理解为“气流堆积”,就跟中山路塞车差不多),顺便给气流进行预加压;然后是加压阶段,这个阶段需要依靠发动机的压气机(除冲压发动机,这玩意儿没有专门的压气机,由于气流滞止现象,在高速时滞止的气流压力能超过压气机加压后气体压力的数十倍,因而取消了发动机压气机结构以满足超高速飞行的需求,但缺点也很明显,低速下冲压发动机无法工作),压气机其实就是由一堆叶片紧密排布组成的,压气机的叶片对气流做功,或者说对气流进行压缩,气体体积减小内能增大温度提高,为后面的燃烧步骤做准备,其实就跟汽车发动机气缸内压缩空气的步骤一样;接下来是燃烧阶段,在喷气式发动机上,与汽油发动机相比,这一过程更像柴油发动机--不需要电子打火器等其他辅助方式点燃,因为经过了压气机的压缩,此时燃烧室内的气体温度非常高,甚至已经高过燃料的燃点,直接喷射燃油就能点燃,因而就省去了打火这一步骤,这也是柴油发动机没有打火器的原因;最后是排气阶段,经过燃烧气体迅速膨胀,产生高温高压燃气,这股燃气经过燃烧室后的涡轮推动涡轮转动,涡轮带动同轴上的压气机转动使压气机压缩气体以供接下来的燃烧流程,经过涡轮后的气体在温度和压力上都比进气前的气体大,因而会给飞机产生一个向前的推力,然后气体仍然以高温高压状态前进,进入发动机尾喷管,气体继续膨胀加速,最后由尾喷管排出,高速气流直接产生一个反作用力,也就是推力。


【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(喷气式发动机的……极小一部分)




       喷气式发动机的基本原理就是这样,其实也不难理解……对没错我说的是 基本原理,或者说,叫做涡轮喷气式发动机的原理,为啥这么说?喷气式发动机一共有涡轮喷气式涡轮风扇式涡轮螺旋桨式,而涡轮喷气式又分为离心式和轴流式两种,上面所说的就是轴流式涡轮喷气式发动机工作原理,除此之外,还有推动原理类似的冲压式喷气式发动机以及其现代化版本超音速燃烧冲压式喷气式发动机,还有脉冲式喷气式发动机以及火箭发动机。


【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(某涡喷发动机,喷气式发动机真的超漂亮啊啊啊啊)



Para2——涡喷&涡扇发动机



       在上面我们讲到了(涡轮)喷气式发动机的工作原理,即进气-压缩-点燃-排气四个流程,依靠气流的反向推力作为动力,这其实也是喷气式发动机的基本原理(高考必考内容还不赶紧拿起笔做笔记?),如果各位有印象的话,我还在下面接了一句话——“这也是涡喷发动机的工作原理”,对没错,涡喷发动机,即涡轮喷气式发动机,就是接下来一系列喷气式发动机的祖宗,Mother of all jet engine,MOAJE(摩尔杰),来让我们来看看涡喷发动机的结构图。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       由上图可见,涡喷发动机内部可分为三个部分,第①是压气机,依靠紧密排布的扇叶对吸入的气流进行压缩,增压增温;第②是燃烧室,经由①压气机压缩后的高压高温气体进入这里后,燃油管喷出燃油与空气混合,由于被压缩后的气体温度极高,高过了燃油的燃点,因此燃油喷射出去后即刻就被点燃,点燃后气体剧烈膨胀体积增大,流动速度加快;第③是涡轮机,这玩意儿与第①的压气机同轴转动,从②燃烧室内冲出来的气流接触到③涡轮机,促使③涡轮机转动,③涡轮机再带动①压气机转动从而使其继续压缩空气以供下一次点燃使用。所以总的来说涡喷发动机有的结构就是压气机、燃烧室和涡轮机,这一点很重要,是区别涡喷与涡扇的关键所在。(其实在某些喷气式发动机中存在低压压气机和高压压气机两种,具体差别倒也不太明显也就是两级叶片之间的间隔距离而已,可以理解成先依靠低压压气机讲气体压力抬高一些,再通过高压压气机将气体压力抬高到最高效下的压力状态,避免瞬间增压过大出现某些结构上的问题)。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       那么接下来有请涡扇发动机,即涡轮风扇式喷气发动机,First son of the Mother of all jet engine,FSOTMOAJE(福索特摩尔杰),涡扇发动机在原理上与涡喷并无大异,只是在结构上,涡扇要比涡喷多出那么一个结构--位于压气机之前的④大风扇,除此之外在涡轮机上,涡扇发动机相比于涡喷发动机,多了一段小的涡轮扇叶,这是用来驱动压气机前的大风扇转动的,除此之外,由于风扇直径明显大于压气机扇叶直径,因此涡扇发动机在原涡喷发动机外表面上又增加了一层供气流流动的通道,即供不经过压气机的气流流动的通道,叫外涵道,而原先的涡喷发动机结构,即气流通过压气机流入的部分称为内涵道。

       乍看似乎涡喷发动机与涡扇发动机二者差别并不大?那为啥还特地要搞出涡扇这个单独分类呢?要解决这个问题,我们得先从涡喷发动机的限制上入手。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(手写的涡喷效率低推导过程,字丑别介)



       衡量一台发动机是否高效,一贯的方式是探寻其工作效率的高低,简单来说,一台喷气式发动机的工作效率是由热效率和推进效率两部分组成的,对于热效率,即有效输出热量比所消耗的热量,比值越大则热效率越高;而推进效率,即飞行器所获得的功率比进排气的机械能之差,简单来说就是进气速度(等同飞行速度)比排气速度,比值越小则功率越高。倘若要提高发动机效率,那么提高其热效率是最简单有效的方式,提高热效率则需要提高有效输出的能力,由于在喷气式发动机中,被点燃后的高速气流在进一步运动中会将大部分能量传递给涡轮机带动压气机转动,因此提高有效输出的能力就是在提高压气机的转速,但同时,压气机转速提高了,意味着排气的速度也提高了,根据推力公式F=mv/t,排气速度提高时压强减小,密度减小质量减轻,因此可用的推力也减小了,因此排气速度增大,进气速度又减小了,推进效率变大效率更低,其总效率就降低了。

       因为这些问题,导致了涡喷发动机难以提高其工作效率,意味着在相同飞行速度的情况下油耗更大,那么如何解决这个问题?涡扇。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(手写的涡扇效率高推导过程,字丑别介)



       涡扇与涡喷就差别在于压气机前的风扇与外涵道上,在涡喷发动机中,发动机总推力只作用在涡轮机上,而在涡扇发动机中,发动机总推力作用在涡轮机和压气机前风扇上,因此,之前压气机上所获得的功有一部分给了风扇,压气机的功率下降,也就意味着排气速度减慢,且飞行速度不变,因此排气速度与飞行速度之比减小,推进效率提高,而由于排气速度的降低,可利用的排气总功增大,热效率也就提高了,另外,由于外涵道仅仅只有空气流动并没有其他加压设施,因此外涵道内的空气流速=飞行速度,在外涵道出气口,外涵道内低速气体与内涵道内高速气体混合,总的排气速度下降,使得推进效率更高,因此在涡扇发动机上,热效率提高推进效率也提高,总发动机效率也就提高了,也就意味着涡扇发动机能够以更少的油耗达到与涡喷发动机一致的工作效率。

       在喷气式发动机历史上,最开始出现的是涡喷发动机,在二战前就出现了,但于现在普遍使用的喷气式发动机不一样,当时的喷气式发动机采用的是离心式结构,后来才出现了今天普遍使用的轴流式,具体差别我们留着下面讲。

       顺便说说涡扇发动机吧(什么吧?),今天的涡扇发动机有两种,大涵道比涡扇和小涵道比涡扇,根据字面意思就可以理解,即外涵道空气流量与内涵道空气流量的比值,小涵道比的发动机耗油量较大,但推力大且风阻小,一般用于战斗机上;大涵道比的发动机耗油量小,但推力小,不过非常安静,一般用于客机上。小涵道比的涡扇发动机,目前推力最强的就是美国惠普公司的F135涡扇发动机了,目前仅用于F-35战斗机上,单台最大推力可达18吨,191.3千牛,目前我国自研的最强小涵道涡扇发动机涡扇10,其最大推力也只有14吨(涡扇15还在研制,但也没有F135猛),至于大涵道涡扇,目前最强的是美国通用电气公司研制的GE90大涵道涡扇发动机,其最大推力达到惊人的56.9吨,目前仅有波音777客机使用该发动机(实在是太大了,GE90的外涵道就能塞下一架波音737客机)。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(美国F-135小涵道比涡扇发动机)



【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(使用F135的美国F-35战斗机)



【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(GE公司使用一架波音747用以测试GE9X)



【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(GE90那恐怖的风扇直径)


       哦对了,关于上面说到的MOAJE“摩尔杰”涡喷和FSOMOAJE“福索特摩尔杰”涡扇,其实……
是我瞎编的哈哈哈哈哈哈


Para3——离心式&轴流式涡喷发动机


       在上面我们说到,喷气式发动机有涡喷和涡扇两种,目前涡扇发动机是主流,但最早出现的喷气式发动机哩是涡喷,毕竟相对来说涡喷的结构要更简单一些,在上上期我们也说到,涡喷发动机有离心式和轴流式两种,那么今天我们就来唠唠这俩玩意儿。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(惠尔特和他的离心式发动机模型)




【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(惠尔特W.1型离心式发动机)




       1936年,英国人惠尔特创建了自己的喷气式发动机研制公司——“喷气动力有限公司”,开始对喷气式发动机的研究,1937年8月12日,在惠尔特的研究车间中传出了一声巨响,英国第一台也是世界上第一台喷气式航空发动机研制成功,喷气式发动机的出现,是世界航空业发展的重要转折点,but,惠尔特的喷气式发动机结构与今天所广泛使用的不同,其采用的是离心式结构设计,而今日的喷气式发动机,基本上都是采用轴流式设计(轴流式结构的喷气式发动机最早于1937年末由德国人汉斯·冯·奥海因研制,型号He S-3,出现时间略晚于英国,但在喷气式航空发动机实用化这方面德国要先于其他任何国家,毕竟德国在1944年首飞的Me-262“燕子”是世界上第一种进入军队服役的喷气式飞机),虽然在上期以及上上期所讲的都是轴流式喷气式发动机的原理,为了阅读方便我们再讲一次吧,顺便跟之后的轴流式形成对比。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       轴流式喷气发动机由①压气机、②燃烧室、③涡轮机三部分组成(涡喷就是如此,涡扇要增加一个风扇和外涵道,本文以下内容都已涡喷发动机为论述对象,毕竟也只有涡喷有离心和轴流两种,具体原因放在说离心式的时候说),①压气机用来对气流/空气进行压缩,减小体积并增温增压,气体流出压气机后变进入了②燃烧室,此时气体温度极高,已经高过了燃油的燃点,因此在燃烧室内喷口直接喷射出燃油,燃油混合空气并被点燃,气体体积迅速膨胀,内能增大流速增快,接下来进入③涡轮机,其实就是一排排扇叶,气流流过推动扇叶旋转,且③涡轮机与②压气机同轴转动,因此压气机也会跟着旋转并为下一轮燃烧做准备。根据原理和结构,我们可以将轴流式喷气式发动机定义为“气流的压缩-点燃-排气过程均位于同一方向轴上”的喷气式发动机,就像家里的风扇一般,从后门吸入空气就从前面吹出气流而不是往两边吹……所以家里的风扇可以叫做“轴流式空气推动装置”?

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(尼恩MK.1型离心式发动机结构图)




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(尼恩MK.1型离心式发动机实物图)




       说完轴流式我们来说说离心式,根据字面意思我们可以推断出离心式发动机是利用了离心力对气流进行某些方面的……处理,事实也的确如此,由上面的离心式发动机的结构图我们可以发现,与涡轴式喷气式发动机相比,似乎离心式喷气式发动机少了压气机这一结构?那是怎么压缩空气的?
靠原力啊这还用问!



【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(离心式发动机的压气机叶片,或者说叶轮)



       Fine,离心式发动机并不是说就没有了压气机,只是人家的压气机长得不跟别的妖艳贱货一样而已,在上面的结构图我们可以发现,离心式发动机多了一圈类似于飞碟一样的东西,这个便是离心式发动机的压气机结构——离心压气机,与轴流式的压气机一样都是由叶片构成,但离心式的压气机结构为直径前小后大,且在压气机之后没有可供气流流动的通路,且压气机叶片有一定倾斜角,能够推着气体运动,总的来看气体的运动轨迹就像蚊香一样螺旋式前进,气流为离心运动,而当气体到了压气机叶片末端时,供给气流流动的通路就在上方(相对于发动机压气机叶片来说),与压气机呈垂直关系,且由于气流流出的方向不确定,可能是在上分流出也可能是在下方流出(相对于发动机整体来说),因此离心式发动机有多个供压缩后的气流流出的通路,也正因如此,每条通路都有一个燃烧室供给燃烧,因此在离心式发动机上燃烧室是多个围绕着发动机中心轴旋转排列的,当气体和燃油混合被点燃后,燃油气体在尾喷管处汇合,并同时推动涡轮机转动,与轴流式发动机一致,涡轮机与压气机同轴联动,因此燃油气体在推动涡轮机转动的同时也是在推动压气机转动,压气机继续压缩气体为下一轮燃烧做准备。由此可见,与轴流式不同,离心式喷气式发动机的压缩-点燃-排气三步骤并不是在同一方向轴上进行,且压缩步骤利用了离心力,因此成为离心式喷气式发动机。

       那么既然在过程上离心式与轴流式差别不大,那为何现在主流都是轴流式呢?要解决这个问题我们还是得在离心式的结构特点上入手。


(还是这张图,注意蓝色变为绿色那里,真实硬挤)



       由上面可知,离心式发动机的压气机是靠的离心力对气体进行压缩,怎么压缩的?硬挤,没错就是硬挤,离心机将气流甩向两边,两边的发动机结构壁呈收缩状,由于离心力气流会一直流入,通路直径越来越小因此气体的体积也会越来越小,内能增加,相对于轴流式来说,离心式的单级压缩比较大,顺便由于狭管效应的存在,压缩之后的气体流速会增快,这对后门的燃烧流程来说是有一定好处的,但由于其离心压缩的方式,结构占用体积交大,且多路通气在多级压缩上存在不便(我所知道的最多也只是两级增压),因此在总的压缩比上,离心式发动机要远远逊色于轴流式发动机,且由于占用了横向面积,离心式发动机还存在迎风面积大的问题,不过好在其结构简单、工作可靠、可供稳定工作的范围较宽,因此虽然现在离心式不是主流,但还没有消失,在一些单次使用的飞行器、低成本飞行器上还在使用这离心式发动机,顺便说一句,中国台湾的IDF战斗机使用的是四级轴流串联一级离心的设计,算是对在最小空间内获得最大压缩比的一种妥协吧,另外,在接下来要讲到的涡轴发动机,即直升机所使用的发动机,其实也是以离心式发动机作为基础发展而来的,算作是离心式发动机的一个分支吧。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       如果你还对上面Para2还有印象的话,对于我所谈到的发动机工作效率的问题,轴流式喷气式发动机可以通过增加风扇和外涵道改成涡扇发动机来解决这个问题,那么离心式发动机呢?关于离心式发动机能不能改成离心式涡扇发动机这个问题,我在度娘上找了一圈倒没发现有这个资料,因此根据我自己的推断(可能不准确哈),如果是采用了多向进气的离心式发动机,比如①双面进气单级离心式,其进气口并不是在正前方,因此无法布置风扇;若是单向进气的离心式发动机,比如②单面进气双级离心式,虽然此类发动机进气口是在正前方了,但由于离心式发动机的燃烧室占用了横向面积,因此如果改用涡扇增加外涵道的话,无法想象其外涵道半径得多大,可能跟GE90那3.25米半径一样大的离心式涡扇发动机,其最终效率只有普通的2米半径涡扇一样大,甚至更小,毕竟风阻增大的不只是一点半点,横竖不划算,可能当年有人实验过离心式涡扇发动机,但最终还是放弃了,毕竟任何方面都更好的轴流式涡扇就摆在那。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(苏联的VK-1发动机,安装在米格-15战斗机上,这里有一个故事,当年苏联自研的喷气式发动机不堪用,就打算跟英国买当时英国最先进的尼恩发动机,斯大林听了笑了骂人说“英国人怎么可能把他们最高机密卖给我们”,然后……英国真的就卖了10台尼恩给苏联)




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(米格-15+VK-1型发动机,当然不是就这样飞,把后机身拆掉了而已,挺好的设计,方便维护)









       顺便再补充一下最早的使用离心式喷气式发动机的飞机,英国格罗斯特E.28/39,1941年5月15日首飞(英国对面德国最早的喷气式飞机是亨克尔He-178,1939年8月27日首飞),使用了一台惠尔特W.1型离心式喷气式发动机,最高航速350mph。


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(英国格罗斯特E.28/39首飞)




【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(德国亨克尔He-178)


Para4——涡桨&涡轴发动机


       在上面和上上面和上上上面,我们说到了喷气式发动机中的涡喷、涡扇两种,其实还有另外两种,虽然不是像涡喷涡扇一样以喷气产生的反推力作为主要动力,但却仍以涡喷、涡扇作为基础衍生而来的动力装置--涡桨与涡轴,目前涡桨与涡轴仍然发挥着巨大的作用,甚至在某些领域只有涡桨与涡轴能够堪用,而在上一期被我喷的一文不值(甚至还嫌喷的不够爽专门再写一篇继续喷)的离心式喷气式发动机,也在这其中一种发动机上得到重生。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       首先说说涡桨,即涡轮螺旋桨发动机,啥你说我打少了“喷气式”三字?诶!真聪明……个头啦,涡桨不同于涡喷涡扇,涡喷涡扇是以喷射出高速气流产生反推力推动物体前进作为动力来源的,而涡桨不以喷射气体的反推力作为主要动力来源,而是以螺旋桨切割空气作为主要的产生动力的方式(下面会说原理)。我们来看看涡桨的结构,可以发现其与涡喷发动机的最大差别仅仅只有压气机前的“风扇”,而这个“风扇”又没有涡扇发动机的外涵道结构,事实上涡桨可以看做是涡扇发动机的一个变种,因此涡桨的驱动原理与涡扇并无二致,同样的,需要进气-压缩-点燃-排气四个步骤,来我们来复习一下,进气靠进气道(如果有的话)或者直接靠吸气,压缩靠压气机转动使气体体积减小内能增大,点燃靠压缩后的高能气体,排气经过涡轮机驱动压气机转动继续压缩(都说了高考必考还不记下来?!),而与涡扇不同的是,涡桨的“风扇”,或者具体来说是桨叶,并没有涡扇的风扇扇叶那么密集,而且明显的桨叶叶片面积也更大,叶片裸露在外并没有外涵道包裹着,除此之外,涡桨在叶片处还多了一部分结构——减速器,由于线速度的存在,桨叶叶片外圈线速度要高于内圈线速度,而且由于音障的存在(即处于近音速状态的高速运动的物体会在其与空气的接触面附近产生一个高密度的气层,可以理解为“声波积累”,音障就像一堵墙一样试图阻碍物体突破音速,要突破音速需要物体具有极高的强度),桨叶叶片无法高速旋转,而在内部涡轮机结构上,其转速要明显高于桨叶可承受的最高转速(因为涡轮机扇叶比较小,因此其叶片末端线速度要比同转速的螺旋桨桨叶大,也就是转的更快),因此需要在涡轮传动轴上在螺旋桨桨叶之前安装一个减速器以控制桨叶转速不至于过快导致螺旋桨强度不足解体。

        那么涡桨有啥好处?该不会是像离心式涡喷一样的鸡肋玩意儿吧?才不是!由于涡桨靠桨叶产生动力的特殊结构,因此只要桨叶旋转得越快(只要不超过结构承受限度)动力就越足,而桨叶旋转的动力来自于涡轮上,因此只要涡轮转的越快螺旋桨就转的越快,而涡轮转动靠的是利用发动机排气,因此涡桨发动机为了充分利用排气的能量,涡轮机叶片要明显多于涡喷与涡扇发动机(涡喷和涡扇以喷气为推动力,因此用于驱动机械结构的排气后的气体越少越好,因此涡喷涡扇的涡轮机叶片较少,只需满足驱动压气机压缩气体就行),因此涡桨发动机的发动机效率非常高,也就是说同样航速下涡桨发动机更省油,也同样意味着相同油量下涡桨发动机可以飞的更远,因此涡桨发动机非常适合使用在运输机上,毕竟运输机这东西不追求高航速而航程要越远越好,不过速度慢这个确实也是涡桨固然存在的一个缺点。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(俄罗斯图-95MS轰炸机,用的是目前最强大的涡桨发动机,NK12-MV,能够输出14700匹马力,共轴双旋翼,不过也是最响的,有个故事是以前军演的时候俄罗斯的图-95飞过在水里面的美国潜艇,潜艇用声呐都能听到图-95响亮的发动机声音)




【临云行】·简述涡轮航空发动机

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(乌克兰的安-70运输机,用的是目前第二强的涡桨发动机,D-27,能够输出14000匹马力)



       接下来解决上面遗留的一个问题,扇叶是如何产生动力的呢?首先,扇叶是存在一个偏转角度的,有了这个差角的存在,螺旋桨桨叶就能过推动气体向后运动,同时向后运动的气体又会给扇叶一个反向的力即一个向前的力,这样就能驱动物体往前运动,具体的话可以参考一下学生党必备的小风扇,放在比较光滑的物体面上然后开最大,风虽然是往前面吹的但是风扇会向后运动最后掉在地上。

【临云行】·简述涡轮航空发动机

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       接下来轮到涡轴了,即涡轮轴发动机,还是一样我们看一看结构图,可以发现其与涡桨发动机并没有太大的差别,甚至有点熟悉?没错!似里!离心式涡喷发动机!由于离心式特有的高单级压缩比的特点,且直升机对发动机横向截面面积的较低要求,且离心式压气机特有的双面进气结构,使得离心式压气机在涡轴发动机上得以重生,而轴流式压气机的高可串联性,使得其能够在离心式压气机的高单级压缩比的基础上,不占用过多的空间进一步提高压缩效率,因此可见目前轴流+离心的压气机结构成为了涡轴发动机的主流(其实涡扇发动机也有类似的),且不同于涡桨,虽然涡轴也同样是靠驱动螺旋桨转动产生拉力,但直升机的螺旋桨在上头,因此直升机上所用的涡轴发动机都有一个转向用的转向器,且直升机螺旋桨桨叶明显更长,因此其叶片末端线速度要更更更大,因此直升机上的涡轴发动机有这比涡桨发动机更多更复杂的减速器结构,且涡轴发动机还有一个比较特殊但看不太出来的结构,自由涡轮,一般来说在其他涡轮发动机上,涡轮是同时用以驱动压气机和桨叶/风扇的,但涡轴不同,涡轴对于排气的可利用度要比涡桨更高,因此涡轴发动机设计有一个单独的涡轮用以驱动螺旋桨,另一个涡轮单独驱动压气机,用以驱动螺旋桨的涡轮就叫做自由涡轮,因此直升机的驱动效率要更高而且虽然一部分排气能量给了螺旋桨,但直升机的航速不高,对气流的压缩程度要求也比较低,所以使用上离心式压气机的话能够在最小空间内达到最大的压缩效率,这就是涡轴不同于其他“妖艳货色”的原因,不过明显可见涡轴的结构复杂程度可不是只比其他涡轮发动机高处一两个等级这样而已,目前涡轴发动机也只有一些强国能玩得很六(学)而已。

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(美国CH-47“支奴干”直升机所使用的T-55-L7涡轴发动机,2650轴马力,一架CH-47使用两台发动机)




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(美国CH-54“塔赫/空中吊车”直升机,专用于运输,使用两台JFTD-12-4A型涡轴发动机,一台4500轴马力)



Para5——脉冲&冲压发动机


       在上面我们说到了涡喷/涡扇发动机的两种衍生产品,涡桨与涡轴,都是以涡喷作为核心机用以驱动桨叶旋转,桨叶切割推动空气产生推力,从而拉动飞机前进或者是上升,二者虽然用途类似,但由于使用方式的不同以及工作条件的差异,涡轴发动机相对来说要更加复杂一些(某些涡轴发动机光是减速器就占了总重的一半),但总体来看涡喷发动机的底子还是在那里的,也就是涡轮级数更高而已,而今天这期我所要讲述的,脉冲发动机与冲压发动机,则是完全不同的种类,除了在推进方式与涡喷/涡扇一致,都是靠喷射高速气流产生反向推力之外,在结构上,则是完全的彻底的全然的全部的全都的all的不同。

       我们首先拿结构简单的脉冲发动机来说,顾名思义,脉冲发动机就是推力以类似脉冲的形式存在时间间隔而非涡喷涡扇等以连贯或近似连续不断的无时间间隔或时间间隔极短的时间作为发动机两次燃烧之间的间隔,说白了就是涡喷涡扇是连续燃烧的而脉冲发动机是间隔燃烧的,就像以前路上哪里都有的又响烟还大速度又慢的单冲程摩托和现在的黑鲨白鲨鬼火之间的对比,在脉冲发动机上可以很明显的听出燃烧间隔,这主要是其结构的特殊性造成的。

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       脉冲发动机的一大特点也是一大优点同样也是一大缺点,就是其结构极其简单,看上面的结构图,可以发现脉冲发动机没有了压气机也没有涡轮机,这是干嘛啊偷工减料?!呵!资本主义!行吧脉冲发动机虽然没有了我们熟悉的压气机和涡轮机,但是多了一个单向活门,用以控制气流的进入,其只能允许气流单向运动,就像人体血管里面的瓣膜和心脏里面的房室瓣一样。单向活门之后就是燃烧室,燃烧室也没有什么特殊的也就几个燃油喷管而已,不过多了个打火器,这是由于脉冲发动机缺少了压缩气体的环节,气体在发动机外是什么样的被吸入后在发动机里面就是什么样的,其密度不变体积也不变(至少是没有很大变化),因此在进入燃烧室之前气体内能并不高,温度尚不足以点燃燃油,因此就需要打火器进行辅助,就像汽车的汽油发动机一样。在点燃之后由于单向活门关闭且它是单向活门,膨胀的气体别无他路只能往尾喷口跑,之后就跟涡喷涡扇一样了,高速气体喷出产生反向推力推动发动机前进。

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(二战德国V-1“飞行炸弹”,弹体背负一台脉冲发动机)




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(由于结构简单,脉冲发动机在民间有大量使用)



       由上可见脉冲式发动机实在是简单到没办法再简单,且因为其工作过程是进气-关闭-点燃-排气-打开-进气如此循环的,在两次点燃之间存在明显间隔,频率大概是每秒40次,因此脉冲发动机听起来就像蜜蜂在飞一样“嗡嗡嗡”的,只不过要更加低沉一些,当然,也更响。由于脉冲发动机结构简单,开发难度低,因此在不晚于1928年的时候就已经出现了脉冲发动机,而1942年最早的实用化以脉冲发动机作为主要动力的飞行器就已经出现了——德国V-1“飞行炸弹”,在1942~1945年间用于轰炸英国等地,造成了不小的损失,但由于脉冲发动机固有的缺陷,其可达到的最大速度较慢,大概也就0.8马赫的样子最多,而且又超响,因此很容易被拦截下来,至少当年RAF(英国皇家空军)拦截下来了不少V-1导弹,甚至还有子弹打光直接用机翼挑落的案例


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       接下来是我要介绍最后一种以喷射高速气流产生反向推力的发动机,冲压发动机,也许冲压不像涡喷涡扇涡桨涡轴脉冲那般“顾名思义”……人家就叫冲压发动机,或者是冲压喷气式发动机,莫得特殊的,看上面的结构图,可以发现,它跟脉冲发动机一样也是简单到极致,这是要干嘛啊?偷工减料?呵!资本主义!行吧人家简单也有简单的道理,与脉冲发动机不同,脉冲发动机没有任何能够压缩气体使其内能增大的结构部件,单纯的仅仅只是将一批气流送入燃烧室点燃再换另一批而已,而冲压发动机不同,其在进气口处有一个锥状物,近似橄榄型,其作用就是依靠物理方式压缩气体——挤压,由橄榄头至橄榄最大截面部分,可供气体流动的面积逐渐减小,顺便给高速气流减速,根据数据,在飞行速度达3马赫(3倍音速)时,压缩后的气体压力可以达到压缩前的37倍之大,气体内能极高温度极高,在经过压气机后到达燃烧室,喷油口直接喷射出燃油就可点燃,之后剧烈膨胀的气体会以更高的速度排出发动机外,由于冲压发动机内部不存在涡轮机等任何会消耗气体内能的结构,因此其喷气效率相比于涡轮喷气机来说也更高,推力也更大。

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       虽然乍看起来冲压发动机牛批的一批,只可惜,由于其结构的特殊性,冲压发动机要求气流只有达到一定速度时才能够正常工作,换句话说,根据相对速度,冲压发动机要求飞机只有在达到某一速度时才能正常工作,但是得益于其结构简单且重量轻、推重比大,用在高速飞机上是很不错的,虽然需要搭配普通的涡轮发动机用以供给其在低速状态下的正常飞行使用,但在高速上,冲压发动机具有其他任何涡轮喷气机所没有的优势,就目前来说对于冲压发动机研究的最透彻的还是属美国,其在1964年首飞的SR-71“黑鸟”侦察机,使用了两台惠普J-58喷气式发动机,特殊的,这种发动机是一种冲压+涡喷的混合式发动机,在低速时使用涡喷模式,高速时使用冲压模式,得益于两台J-58发动机提供的巨大推力,SR-71能够飞出高达3.5马赫的最高航速(非证实最高航速3.8马赫,大概是45600km/h),使得其成为这五十多年来军航圈一直津津乐道的一个话题。

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(美国SR-71“黑鸟”高速侦察机,三马赫的怪物)




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(SR-71所使用的惠普J-58发动机)




Para6——对离心式涡扇喷气式发动机可行性的研究


      涡扇发动机由于其风扇+外涵道的设计,使得其发动机总效率要明显优于涡喷发动机,即在相同航速或者说是相同推力下涡扇发动机的油耗要比涡喷发动机更小,而对于涡扇发动机,是由轴流式涡喷发动机增加结构而来,而涡喷发动机又分为轴流式和离心式两种结构,那么涡扇发动机能不能以离心式涡喷发动机增加风扇和外涵道而得到?

      首先我们先从衡量涡扇发动机的重要数据入手——涵道比,即外涵道与内涵道空气流量之比(内涵道就是气流流过压气机、燃烧室和涡轮机的整个部分,外涵道就是在内涵道之外的部分,不经过任何机械结构部分),在今天的涡扇发动机系列中,用于客机使用的涡扇发动机涵道比一般大于5,为大涵道比涡扇发动机;而战斗机所使用的涡扇发动机涵道比一般小于1。虽然涡扇发动机具有效率高的优势,但由于其外涵道的存在,涡扇发动机的空气阻力要比涡喷发动机高,不过好在问题不大,增加的推力效率足以弥补。

      接下来我们来分析一下离心式涡扇发动机的可行性,我认为离心式涡扇发动机是能够被制造出来的,并没有结构性上的问题,但离心式涡扇发动机效率要较轴流式涡扇发动机低,因此没有必要制造离心式的涡扇发动机,我认为所存在的问题有两个:

              ①.若采用双向进气离心式喷气发动机进行改装,则无法加装外涵道风扇

              ②.若采用单向进气离心式喷气发动机进行改装,则发动机横向面积过大,风阻更高效率低下



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图1-1




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图1-2



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图1-3



      首先是对①的论述,首先附上双向进气离心式喷气发动机的结构图(图1-1),由图可见,双面进气的涡喷发动机使用了通气管将气流平均分配给压气机叶轮的前后两个面,其采用了环状式进气口结构(如英国尼恩发动机,如图1-2、1-3),即通过发动机的全圆周进气,因此无法布置内涵道外风扇将气流同时供给内外涵道,若采用将外涵道风扇布置于内涵道进气口之外的方式,由于内涵道内气流流速高,内涵道气压较外涵道低,会将风扇内内涵道进气口外的气流"吸入"内涵道中,使外涵道气流减少甚至无气流,出现结构浪费,若将外涵道增大至内外涵道气压差影响范围之外,其外涵道半径将非常大,产生的空气阻力也更大,若不采用外挂发动机的方式,将发动机置于机体内部中,则需要机体有较大的横截面面积,其空气阻力也更大。

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图2-1



      接下来是对②的论述,同样的附上单向进气离心式喷气发动机的结构图(图2-1),由图可见,采用单面进气的涡喷发动机可以使用面状进气口而非双面进气的环状进气口,因此对于压气机前风扇的布置,可以延长涡轮轴至压气机之前并增设风扇,但由于离心式喷气发动机所采用的特殊的环状式燃烧室结构(即燃烧室围绕发动机中心轴排列于圆周上),因此仅内涵道离心式发动机的横截面面积就已经非常大,以英国劳斯莱斯尼恩MK1离心式发动机为例,其最大半径达1.2573米,若以劳斯莱斯尼恩MK1为基础设计一款低涵道比的涡扇发动机,以同时期的德国戴勒姆·奔驰的DB 007涡扇发动机为例,其涵道比为2.45:1,尼恩MK1的内涵道空气流量为46.8528m3/s,若同为2.45:1的涵道比,则需要内外涵道总半径达2.65m,由于缺少计算空气阻力的相关系数,放弃研究其空气阻力大小,但直径达5米的发动机,已经超过目前最强大的涡扇发动机GE90了(GE90最大宽度才3.76m),但GE90涵道比达9,最大推力达500千牛,我相信这是低总圧缩比的离心式涡扇发动机所无法达到的。

      因此,对于离心式涡扇发动机,并不是不可能被制造出来,而是根本就没有制造出来的必要,其低总压缩比、大的横截面积就已经失去了轴流式涡扇发动机所特有的高效率优势。
































“让我们一起,飞遍全世界!” · 临云行
snow 评论于2019-2-23 15:10:56 |私信
厉害了~发动机比较难懂

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抱歉啊亲今年高三没怎么上来论坛!发动机这个我之前钻了一个多月才钻出来这些哈哈哈哈确实很难懂,不过越挖就觉得发动机这个真的是漂亮  详情 回复 发表于 2019-3-18 23:03
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ZJ-small 评论于2019-3-18 23:03:54 来自手机触屏版 |私信
snow 发表于 2019-02-23 15:10
厉害了~发动机比较难懂

抱歉啊亲今年高三没怎么上来论坛!发动机这个我之前钻了一个多月才钻出来这些哈哈哈哈确实很难懂,不过越挖就觉得发动机这个真的是漂亮

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哇,小编才高三啊,厉害!今年高考加油哦!  详情 回复 发表于 2019-3-19 01:19
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snow 评论于2019-3-19 01:19:08 |私信
ZJ-small 发表于 2019-3-18 23:03
抱歉啊亲今年高三没怎么上来论坛!发动机这个我之前钻了一个多月才钻出来这些哈哈哈哈确实很难懂,不过越 ...

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谢谢你!等我好消息哈哈哈!考完就回来继续写!  详情 回复 发表于 2019-3-21 19:50
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ZJ-small 评论于2019-3-21 19:50:41 来自手机触屏版 |私信
snow 发表于 2019-03-19 01:19
哇,小编才高三啊,厉害!今年高考加油哦!

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你是用安卓APP客户端的?临云行上架了新APP了?在哪下载的?我咋没看到?  详情 回复 发表于 2019-3-22 14:39
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snow 评论于2019-3-22 14:39:07 |私信
ZJ-small 发表于 2019-3-21 19:50
谢谢你!等我好消息哈哈哈!考完就回来继续写!

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百度搜一下就有!3月10几号刚上架来着,我也是顺手搜了一下才发现的哈哈哈  详情 回复 发表于 2019-3-23 00:22
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ZJ-small 评论于2019-3-23 00:22:43 来自手机触屏版 |私信
snow 发表于 2019-03-22 14:39
你是用安卓APP客户端的?临云行上架了新APP了?在哪下载的?我咋没看到?

百度搜一下就有!3月10几号刚上架来着,我也是顺手搜了一下才发现的哈哈哈
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