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渦輪噴氣發(fā)動機(jī)
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)(渦輪噴氣發(fā)動機(jī))
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)是一種渦輪發(fā)動機(jī)。特點(diǎn)是完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力。通常用作高速飛機(jī)的動力。油耗比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)高。渦噴發(fā)動機(jī)分為離心式與軸流式兩種，離心式由英國人弗蘭克·惠特爾爵士于1930年取得發(fā)明專利，但是直到1941年裝有這種發(fā)動機(jī)的飛機(jī)才第一次上天，沒有參加第二次世界大戰(zhàn)，軸流式誕生在德國，并且作為第一種實(shí)用的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me-262的動力參加了1945年末的戰(zhàn)斗。相比起離心式渦噴發(fā)動機(jī)，軸流式具有橫截面小，壓縮比高的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)今的渦噴發(fā)動機(jī)均為軸流式。
目錄 概述 工作原理 發(fā)展歷史 結(jié)構(gòu) 收縮展開 概述綜述
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)應(yīng)用噴氣推進(jìn)避免了火箭和沖壓噴氣發(fā)動機(jī)固有的弱點(diǎn)。因?yàn)椴捎昧藴u輪驅(qū)動的壓氣機(jī)，所以在低速時發(fā)動機(jī)也有足夠的壓力來產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進(jìn)空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過程之后，得到能量和動量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒（610米/秒）或者大約1400英里/小時（2253公里/小時）的速度從推進(jìn)噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動機(jī)時，同時帶動壓氣機(jī)和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動機(jī)的機(jī)械布局比較簡單，因?yàn)樗话瑑蓚�主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機(jī)和渦輪，還有一個或者若干個燃燒室。然而，并非這種發(fā)動機(jī)的所有方面都具有這種簡單性，因?yàn)闊崃蜌鈩恿栴}是比較復(fù)雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機(jī)和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃?xì)獠⑿纬赏七M(jìn)噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計工作造成的。 發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率在很大程度上取決于它的飛行速度。當(dāng)飛機(jī)速度低于大約450英里/小時（724公里/小時）時，純噴氣發(fā)動機(jī)的效率低于螺旋槳型發(fā)動機(jī)的效率，由于螺旋槳的高葉尖速度造成的氣流擾動，在350英里/小時（563公里/小時）以上時螺旋槳效率迅速降低。因而，純渦輪噴氣發(fā)動機(jī)最適合較高的飛行速度。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機(jī)不用純渦輪噴氣裝置而采用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的組合 -- 渦輪螺旋槳式發(fā)動機(jī)。
推進(jìn)效率
在馬赫數(shù) Ma<0.6 的速度下渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)效率最高。而當(dāng)速度提高到馬赫數(shù) 0.6-0.9 時，螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)越性在一定程度上被內(nèi)外涵發(fā)動機(jī)、涵道風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和槳扇發(fā)動機(jī)所取代。這些發(fā)動機(jī)的排氣比純噴氣的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的排氣流量大而噴氣速度低，因而，其推進(jìn)效率與渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)相當(dāng)，超過了純噴氣發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率。在亞音速(Ma<1.0)條件下,渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率最低。當(dāng)飛機(jī)飛行速度超過音速后(Ma>1.0),渦扇發(fā)動機(jī)由于迎風(fēng)面積過大從而推進(jìn)效率開始降低；與此相反,渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率則迅速提升,即使在馬赫數(shù) 2.5-3.0 范圍下,渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率仍然可以達(dá)到 90%,正因?yàn)槿绱�，與三代機(jī)普遍使用的涵道比為0.5-0.8的中等涵道比渦扇發(fā)動機(jī)相比,F-22使用的F-119渦扇發(fā)動機(jī)把涵道比降回到0.29，為的就是能夠?qū)崿F(xiàn)（Ma1.4）的超音速巡航。 每種發(fā)動機(jī)都有它們最佳使用的飛行包線-(由速度x/高度y構(gòu)成的xy坐標(biāo)系)，并不是說渦扇發(fā)動機(jī)一定比渦噴發(fā)動機(jī)省油，在超音速時，同樣開加力燃燒室的渦扇發(fā)動機(jī)比渦噴發(fā)動機(jī)耗油率還高。
可調(diào)進(jìn)氣道
渦輪沖壓噴氣發(fā)動機(jī)將渦輪噴氣發(fā)動機(jī)（它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度）與沖壓噴氣發(fā)動機(jī)結(jié)合起來，在高馬赫數(shù)時具有良好的性能。這種發(fā)動機(jī)的周圍是一涵道，前部具有可調(diào)進(jìn)氣道，后部是帶可調(diào)噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數(shù)3以下的飛行狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)的工作方式；當(dāng)飛機(jī)加速到馬赫數(shù)3以上時，其渦輪噴氣機(jī)構(gòu)被關(guān)閉，氣道空氣借助于導(dǎo)向葉片繞過壓氣機(jī)，直接流入加力噴管，此時該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動機(jī)的燃燒室。這種發(fā)動機(jī)適合要求高速飛行并且維持高馬赫數(shù)巡航狀態(tài)的飛機(jī)，在這些狀態(tài)下，該發(fā)動機(jī)是以沖壓噴氣發(fā)動機(jī)方式工作的。
渦輪火箭發(fā)動機(jī)
渦輪/火箭發(fā)動機(jī)與渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，一個重要的差異在于它自備燃燒用的氧。這種發(fā)動機(jī)有一多級渦輪驅(qū)動的低壓壓氣機(jī)，而驅(qū)動渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產(chǎn)生的。因?yàn)槿細(xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)3500度，在燃?xì)膺M(jìn)入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然后這種富油混合氣（燃?xì)猓┯脡簹鈾C(jī)流來的空氣稀釋，殘余的燃油在常規(guī)加力系統(tǒng)中燃燒。雖然這種發(fā)動機(jī)比渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機(jī)小且輕，但是，其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截?fù)魴C(jī)或者航天器的發(fā)射載機(jī)。這些飛機(jī)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(xù)航時間。
工作原理現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種，就必須遵循熱機(jī)的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)是相同的，都需要有進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發(fā)動機(jī)中這4個階段是分時依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機(jī)的各個部分，就對應(yīng)著活塞式發(fā)動機(jī)的四個工作位置。 空氣首先進(jìn)入的是發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道，當(dāng)飛機(jī)飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發(fā)動機(jī)，由于飛機(jī)飛行的速度是變化的，而壓氣機(jī)適應(yīng)的來流速度是有一定的范圍的，因而進(jìn)氣道的功能就是通過可調(diào)管道，將來流調(diào)整為合適的速度。在超音速飛行時，在進(jìn)氣道前和進(jìn)氣道內(nèi)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(jī)中的壓力提高倍數(shù)，因而產(chǎn)生了單靠速度沖壓，不需壓氣機(jī)的沖壓噴氣發(fā)動機(jī)。 進(jìn)氣道后的壓氣機(jī)是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機(jī)時，壓氣機(jī)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(jī)是氣流增壓的主要部件。 從燃燒室流出的高溫高壓燃?xì)猓鬟^同壓氣機(jī)裝在同一條軸上的渦輪。燃?xì)獾腵部分內(nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)中，平衡狀態(tài)下氣流在渦輪中膨脹所做的功等于壓氣機(jī)壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經(jīng)過燃燒后，渦輪前的燃?xì)饽芰看蟠笤黾�，因而在渦輪中的膨脹比遠(yuǎn)大于壓氣機(jī)中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機(jī)進(jìn)口高很多，發(fā)動機(jī)的推力就是這一部分燃?xì)獾哪芰慷鴣淼摹?從渦輪中流出的高溫高壓燃?xì)猓谖矅姽苤欣^續(xù)膨脹，以高速沿發(fā)動機(jī)軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)的速度大得多，使發(fā)動機(jī)獲得了反作用的推力。 一般來講，當(dāng)氣流從燃燒室出來時的溫度越高，輸入的能量就越大，發(fā)動機(jī)的推力也就越大。但是，由于渦輪材料等的限制，只能達(dá)到1650K左右，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)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?xì)馀c噴入的燃油混合再次燃燒，由于加力燃燒室內(nèi)無旋轉(zhuǎn)部件，溫度可達(dá)2000K，可使發(fā)動機(jī)的推力增加至1.5倍左右。其缺點(diǎn)就是油耗急劇加大，同時過高的溫度也影響發(fā)動機(jī)的壽命，因此發(fā)動機(jī)開加力一般是有時限的，低空不過十幾秒，多用于起飛或戰(zhàn)斗時，在高空則可開較長的時間。
發(fā)展歷史戰(zhàn)爭需要
在第二次世界大戰(zhàn)以前，所有的飛機(jī)都采用活塞式發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的動力，這種發(fā)動機(jī)本身并不能產(chǎn)生向前的動力，而是需要驅(qū)動一副螺旋槳，使螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)，以此推動飛機(jī)前進(jìn)。這種活塞式發(fā)動機(jī)+螺旋槳的組合一直是飛機(jī)固定的推進(jìn)模式，很少有人提出過質(zhì)疑。 到了三十年代末，尤其是在二戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭的需要，飛機(jī)的性能得到了迅猛的發(fā)展，飛行速度達(dá)到700－800公里每小時，高度達(dá)到了10000米以上，但人們突然發(fā)現(xiàn)，螺旋槳飛機(jī)似乎達(dá)到了極限，盡管工程師們將發(fā)動機(jī)的功率越提越高，從1000千瓦，到2000千瓦甚至3000千瓦，但飛機(jī)的速度仍沒有明顯的提高，發(fā)動機(jī)明顯感到“有勁使不上”。
關(guān)鍵問題
問題就出在螺旋槳上，當(dāng)飛機(jī)的速度達(dá)到800公里每小時，由于螺旋槳始終在高速旋轉(zhuǎn)，槳尖部分實(shí)際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時，由于螺旋槳的迎風(fēng)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)+螺旋槳的推進(jìn)模式已經(jīng)走到了盡頭，要想進(jìn)一步提高飛行性能，必須采用全新的推進(jìn)模式，噴氣發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 噴氣推進(jìn)的原理大家并不陌生，根據(jù)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動機(jī)一個反作用力，推動飛機(jī)前進(jìn)。事實(shí)上，這一原理很早就被應(yīng)用于實(shí)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。
突破
早在1913年，法國工程師雷恩．洛蘭就獲得了一項(xiàng)噴氣發(fā)動機(jī)的專利。這是一種沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)，在當(dāng)時的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。1930年，弗蘭克．惠特爾取得了他使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的第一個專利，但直到11年后，他的發(fā)動機(jī)才完成其首次飛行，惠特爾的這種發(fā)動機(jī)形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)。
進(jìn)步
隨著航空燃?xì)鉁u輪技術(shù)的進(jìn)步，人們在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了多種噴氣發(fā)動機(jī)，如根據(jù)增壓技術(shù)的不同，有沖壓發(fā)動機(jī)和脈動發(fā)動機(jī)；根據(jù)能量輸出的不同，有渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、渦輪軸發(fā)動機(jī)和螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)等。 噴氣發(fā)動機(jī)盡管在低速時油耗要大于活塞式發(fā)動機(jī)，但其優(yōu)異的高速性能使其迅速取代了后者，成為航空發(fā)動機(jī)的主流。
結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道
軸流式渦噴發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖，空氣首先進(jìn)入進(jìn)氣道，因?yàn)轱w機(jī)飛行的狀態(tài)是變化的，進(jìn)氣道需要保證空氣最后能順利的進(jìn)入下一結(jié)構(gòu)：壓氣機(jī)（compressor，或壓縮機(jī)）。進(jìn)氣道的主要作用就是將空氣在進(jìn)入壓氣機(jī)之前調(diào)整到發(fā)動機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在超音速飛行時，機(jī)頭與進(jìn)氣道口都會產(chǎn)生激波（shockwave，又稱震波），空氣經(jīng)過激波壓力會升高，因此進(jìn)氣道能起到一定的預(yù)壓縮作用，但是激波位置不適當(dāng)將造成局部壓力的不均勻，甚至有可能損壞壓氣機(jī)。所以一般超音速飛機(jī)的進(jìn)氣道口都有一個激波調(diào)節(jié)錐，根據(jù)空速的情況調(diào)節(jié)激波的位置。 兩側(cè)進(jìn)氣或機(jī)腹進(jìn)氣的飛機(jī)由于進(jìn)氣道緊貼機(jī)身，會受到機(jī)身附面層（boundary layer，或邊界層）的影響，還會附帶一個附面層調(diào)節(jié)裝置。所謂附面層是指緊貼機(jī)身表面流動的一層空氣，其流速遠(yuǎn)低于周圍空氣，但其靜壓比周圍高，形成壓力梯度。因?yàn)槠淠芰康�，不適于進(jìn)入發(fā)動機(jī)而需要排除。當(dāng)飛機(jī)有一定迎角（angle of attack，AOA，或稱攻角）時由于壓力梯度的變化，在壓力梯度加大的部分（如背風(fēng)面）將發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象，即本來緊貼機(jī)身的附面層在某一點(diǎn)突然脫離，形成湍流。湍流是相對層流來說的，簡單說就是運(yùn)動不規(guī)則的流體，嚴(yán)格的說所有的流動都是湍流。湍流的發(fā)生機(jī)理、過程的模型化都不太清楚。但是不是說湍流不好，在發(fā)動機(jī)中很多地方例如在燃燒過程就要充分利用湍流。
壓氣機(jī)
壓氣機(jī)由定子（stator）頁片與轉(zhuǎn)子（rotor）頁片交錯組成，一對定子頁片與轉(zhuǎn)子頁片稱為一級，定子固定在發(fā)動機(jī)框架上，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與渦輪相連�，F(xiàn)役渦噴發(fā)動機(jī)一般為8－12級壓氣機(jī)。級數(shù)越多越往后壓力越大，當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)突然做高g機(jī)動時，流入壓氣機(jī)前級的空氣壓力驟降，而后級壓力很高，此時會出現(xiàn)后級高壓空氣反向膨脹，發(fā)動機(jī)工作極不穩(wěn)定的狀況，工程上稱為“喘振”，這是發(fā)動機(jī)最致命的事故，很有可能造成停車甚至結(jié)構(gòu)毀壞。防止“喘振”發(fā)生有幾種辦法。經(jīng)驗(yàn)表明喘振多發(fā)生在壓氣機(jī)的5，6級間，在次區(qū)間設(shè)置放氣環(huán)，以使壓力出現(xiàn)異常時及時泄壓可避免喘振的發(fā)生。或者將轉(zhuǎn)子軸做成兩層同心空筒，分別連接前級低壓壓氣機(jī)與渦輪，后級高壓壓氣機(jī)與另一組渦輪，兩套轉(zhuǎn)子組互相獨(dú)立，在壓力異常時自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可避免喘振。
燃燒室與渦輪
空氣經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與煤油混合燃燒，膨脹做功；緊接著流過渦輪，推動渦輪高速轉(zhuǎn)動。因?yàn)闇u輪與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連在一根軸上，所以壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的。最后高溫高速燃?xì)饨?jīng)過噴管噴出，以反作用力提供動力。燃燒室最初形式是幾個圍繞轉(zhuǎn)子軸環(huán)狀并列的圓筒小燃燒室，每個筒都不是密封的，而是在適當(dāng)?shù)牡胤介_有孔，所以整個燃燒室是連通的，后來發(fā)展到環(huán)形燃燒室，結(jié)構(gòu)緊湊，但是整個流體環(huán)境不如筒狀燃燒室，還有結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)的組合型燃燒室。 渦輪始終工作在極端條件下，對其材料、制造工藝有著極其苛刻的要求。多采用粉末冶金的空心頁片，整體鑄造，即所有頁片與頁盤一次鑄造成型。相比起早期每個頁片與頁盤都分體鑄造，再用榫接起來，省去了大量接頭的質(zhì)量。制造材料多為耐高溫合金材料，中空頁片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰(zhàn)機(jī)研制的新型發(fā)動機(jī)將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的頁片。這些手段都是為了提高渦噴發(fā)動機(jī)最重要的參數(shù)之一：渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率，高功率。
噴管
噴管（nozzle，或稱噴嘴）的形狀結(jié)構(gòu)決定了最終排除的氣流的狀態(tài)，早期的低速發(fā)動機(jī)采用單純收斂型噴管，以達(dá)到增速的目的。根據(jù)牛頓第三定律，燃?xì)鈬姵鏊俣仍酱�，飛機(jī)將獲得越大的反作用力。但是這種方式增速是有限的，因?yàn)樽罱K氣流速度會達(dá)到音速，這時出現(xiàn)激波阻止氣體速度的增加。而采用收斂－擴(kuò)張噴管（也稱為拉瓦爾噴管）能獲得超音速的噴氣流。飛機(jī)的機(jī)動性來主要源于翼面提供的空氣動力，而當(dāng)機(jī)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?xì)舛婷婊蛑苯硬捎每善D(zhuǎn)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，其中后者已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。著名的俄羅斯Su-30、Su-37戰(zhàn)機(jī)的高超機(jī)動性就得益于留里卡設(shè)計局的AL-31推力矢量發(fā)動機(jī)。燃?xì)舛婷娴拇硎敲绹腦－31技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。
加力燃燒室
在經(jīng)過渦輪后的高溫燃?xì)庵腥匀缓胁糠治磥淼眉跋牡难鯕�，在這樣的燃?xì)庵欣^續(xù)注入煤油仍然能夠燃燒，產(chǎn)生額外的推力。所以某些高性能戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動機(jī)在渦輪后增加了一個加力燃燒室（afterburner，或后燃器），以達(dá)到在短時間里大幅度提高發(fā)動機(jī)推力的目的。一般而言加力燃燒能在短時間里將最大推力提高50%，但是油耗驚人，一般僅用于起飛或應(yīng)付激烈的空中纏斗，不可能用于長時間的超音速巡航。
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