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一文轻松搞定航空发动机工作原理!

 

 

【螺桨风扇发动机】

 

螺桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式,其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来。螺桨风扇发动机是由燃气发生器和一副螺桨-风扇组成。螺桨-风扇由涡轮驱动,无涵道外壳,装有减速器,从这些来看它有一点象螺旋桨;但是它的直径比普通螺旋桨小,叶片数目也多(一般有68叶),叶片又薄又宽,而且前缘后掠,这些又有些类似于风扇叶片。

 

根据涡轮风扇发动机的原理,在飞行速度不变的情况下,涵道比越高,推进效率就越高,因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大,已经接近了结构所能承受的极限;而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高,但由于螺旋桨的速度限制无法应用于M0.8M0.95的现代高亚音速大型宽体客机,螺桨风扇发动机的概念则应运而生。

 

 

 

  当然,螺桨风扇发动机也有其缺点,由于转速较高,产生的振动和噪音也较大,这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外,暴露在空气中的螺桨-风扇的气动设计也是研究的难点所在。

 

【涡轮风扇喷气发动机】

 

涡轮风扇喷气发动机的原理:涡桨发动机的推力有限,同时影响飞机提高飞行速度。因此必需提高喷气发动机的效率。发动机的效率包括热效率和推进效率两个部分。提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比,就可以提高热效率。因为高温、高密度的气体包含的能量要大。但是,在飞行速度不变的条件下,提高涡轮前温度,自然会使排气速度加大。而流速快的气体在排出时动能损失大。因此,片面的加大热功率,即加大涡轮前温度,会导致推进效率的下降。要全面提高发动机效率,必需解决热效率和推进效率这一对矛盾。

 

涡轮风扇发动机的妙处,就在于既提高涡轮前温度,又不增加排气速度。涡扇发动机的结构,实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮,这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样,送进压气机(术语称“内涵道”),另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)。因此,涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。这时,为提高热效率而提高涡轮前温度,可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径,使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道,从而避免大幅增加排气速度。这样,热效率和推进效率取得了平衡,发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低,飞机航程变得更远。

 

 

 

涡轮风扇喷气发动机的优缺点:如前所述,涡扇发动机效率高、油耗低,飞机的航程就远。但涡扇发动机技术复杂,尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道,是极大的技术难题。因此只有少数国家能研制出涡轮风扇发动机,中国至今未有批量实用化的国产涡扇发动机。涡扇发动机价格相对高昂,不适于要求价格低廉的航空器使用。

 

【涡轮喷气发动机】

 

涡轮喷气发动机的原理:涡轮喷气发动机简称涡喷发动机,通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡喷发动机属于热机,做功原则同样为:高压下输入能量,低压下释放能量。工作时,发动机首先从进气道吸入空气。这一过程并不是简单的开个进气道即可,由于飞行速度是变化的,而压气机对进气速度有严格要求,因而进气道必需可以将进气速度控制在合适的范围。

 

压气机顾名思义,用于提高吸入的空气的的压力。压气机主要为扇叶形式,叶片转动对气流做功,使气流的压力、温度升高。随后高压气流进入燃烧室。燃烧室的燃油喷嘴射出油料,与空气混合后点火,产生高温高压燃气,向后排出。高温高压燃气向后流过高温涡轮,部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能,驱动涡轮旋转。由于高温涡轮同压气机装在同一条轴上,因此也驱动压气机旋转,从而反复的压缩吸入的空气。从高温涡轮中流出的高温高压燃气,在尾喷管中继续膨胀,以高速从尾部喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多,从而产生了对发动机的反作用推力,驱使飞机向前飞行。

 

 

 

涡轮喷气发动机的优缺点:这类发动机具有加速快、设计简便等优点,是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力,则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比,这将会使排气速度增加而损失更多动能,于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大,对于商业民航机来说是个致命弱点。

 

【涡轮轴发动机】

 

涡轮轴发动机的原理:涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机相似,曾经被划入同一分类。它们都由涡轮喷气发动机演变而来,涡桨发动机驱动螺旋桨,涡轮轴发动机则驱动直升机的旋翼轴获得升力和气动控制力。当然涡轮轴发动机也有自己的特色:通常带有自由涡轮,而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。

 

涡轮轴发动机具有涡轮喷气发动机的大部分特点,也有着进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等基本组件。其特有的自由涡轮位于燃烧室后方,高能燃气对自由涡轮作功,通过传动轴、减速器等带动直升机的旋翼旋转,从而升空飞行。自由涡轮并不像其他涡轮那样要带动压气机,它专门用于输出功率,类似于汽轮机。做功后排出的燃气,经尾喷管喷出,能量已经不大,产生的推力很小,包含的推力大约仅占总推力的十分之一左右。因此,为了适应直升机机体结构的需要,涡轮轴发动机喷口可灵活安排,可以向上、向下或向两侧,而不一定要向后。尽管涡轮轴发动机内,带动压气机的燃气发生器涡轮与自由涡轮并不机械互联,但气动上有着密切联系。对这两种涡轮,在气体热能分配上,需要随飞行条件的改变而适当调整,从而取得发动机性能与直升机旋翼性能的最优组合。

 

 

 

参照涡轮风扇发动机理论,涡轮轴发动机带动的旋翼的直径应该越大越好。因为同一个的核心发动机,所配合的旋翼直径越大,在旋翼上所产生的升力就越大。但能量转换过程总是有损耗的,旋翼限于材料品质也不可能太大,所以旋翼的直径是有限制的。以目前的水平计算,旋翼驱动的空气流量一般是涡轮轴发动机内空气流量的5001000倍。

 

 

 

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