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涡扇发动机是怎么启动的?

涡扇发动机和活塞式发动机的启动是完全不一样的。活塞式发动机的原理和车用的发动机其实差不多,所以启动的时候,只要往汽缸里喷入燃料,与空气混合以后再点火,燃料燃烧以后膨胀的气体就会推动活塞,让发动机运转起来。

但涡扇发动机就完全不同。涡扇发动机本身没有活塞,而是包括了内外两个涵道的多个叶片,其燃烧室内的空气必须流动起来,才能带动叶片迅速转动,为燃烧室内导入更多空气,保证燃烧的连续进行。但静止状态下,燃烧室内的燃料烧起来之后,其膨胀的速度并不足以让叶片达到足够的转速,也就无法引入更多的空气,让燃烧的气体流动起来,反而可能会烧毁燃烧室和涡轮导向叶片。

因此,启动涡扇发动机的首要事项是让涡轮叶片在发动机还没完全启动之前先转起来,达到足够的转速,保证空气的流动速度。而启动叶片的动力来源一般有三种:一种是用外部的电动机带动涡扇发动机的主轴旋转,进而让固定在主轴上的叶片达到足够转速;第二种则是用外来的气流(比如压缩空气)直接吹动叶片,这种方式常用于小型飞机的发动机;第三种则是针对大型客机,由于这些大型客机使用的多为大涵道比涡扇发动机,其叶片尺寸很大,靠前两种方式带动这些叶片达到足够转速太费劲,所以,这些飞机一般都配有专门的辅助动力单元(APU)。这些APU相当于一个小型的涡喷发动机,通过外来动力启动APU,然后APU再带动主发动机主轴和叶片旋转,进而启动主发动机。T

涡扇发动机和活塞式往复发动机是不一样的,活塞式发动机点火后,燃料-空气混合物只有一直燃烧膨胀才能使活塞发动机不停运动运转。而涡扇发动机的原理则更加像一个永动机,一旦吸入空气启动后就能依靠自身循环不停运转下去,然而没有任何东西是无源之水,涡扇发动机最初吸入空气的动力依靠的什么,我们今天来科普一下。

涡扇发动机结构

涡扇发动机通俗的讲可以看做两根粗细不同的管子套在一起组成的。细管子里包含了低高压气机、燃烧室、低高压涡轮,最后连接至尾喷管,这根内管所包裹的空间叫做发动机的内涵道,流经里头的空气叫内涵气流。而套在内涵道外面的粗管子则包裹着风扇以及整个或者部分细管子(内涵道),我们需要注意的就是细管子上一系列的机器部件都通过了同一根轴承连接在一起。

涡扇发动机工作原理

发动机前方的风扇旋转吸入空气被分为两个部分,一部分进入细管子成为内涵气流,一部分进入粗管子成为外涵气流,外涵气流直接从发动机尾部流出形成一部分动力,而内涵气流经过压气机被压缩,成为高温高压气体,并进一步进入燃烧室被和燃油一起进一步加热膨胀冲击后面的涡轮,涡轮就像我们小时候玩的纸风车一样,被高温高压燃气带动旋转,燃气最后从尾部高速喷出,形成发动机最主要的动力。由于涡轮与风扇、压气机同在一根轴承,因此涡轮又带动了风扇、压气机一起转动。吸入空气—增压-加热-喷射—带动发动机运转,这样一个稳定的循环运动就初步建立起来,是不是看起来很像一个永动机,只要发动机一发动,就能持续的提供动力。这个时候大家会不会有一个疑问?涡扇发动机最初的风扇是怎么运转起来的?发动机的启动是怎样的,是谁提供了最初的动力呢?

涡扇发动机启动

其实现代的飞机尾部一般会加装了一个辅助动力装置,叫做APU.它是涡扇发动机能够启动的关键所在,APU是由一个小电动机带动的小型燃气轮机,在APU启动后,就能源源不断的吸入空气并送到发动机后面的燃烧室燃烧然后带动整个涡扇发动机的运转,所以涡扇发动机启动前,必须先启动APU,如果APU故障了就只能依靠地面电源车和高压气源车来实现发动机的启动。一般飞机发动机如果在空中停车,也要依靠APU来实现重新启动,如果APU发生了故障,发动机不能实现二次启动,那么飞机就可能会发生严重的事故,甚至是坠机。

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很多人会看到各种喷气式发动机的原理图。

基本上就是一根管子里面一大堆的扇叶。将管子分为压气机、燃烧室、涡轮和排气口

最早期的喷气式发动机也的确是和原理图差不多的。

而最早期对发动机功率的控制也只是控制 一段时间内到底有多少燃料进入到发动机燃烧室内,也就是油门控制,别的控制就没有了。

在很长一段时间内喷气发动机(包括涡扇喷气发动机)都是需要靠外力进行启动的,用类似手摇拖拉机那种方式对高转数的飞机显然不适合。

普遍采用的方式就是用压缩空气来吹扇叶的方式将喷气发动机的叶片吹转起来。因此在早期机场地勤车辆里面是有压缩空气车的。

例如照片中的这架轰炸机,在起飞前地勤人员需要利用管子将压缩空气导向扇叶,将四台发动机的扇叶逐个吹动后发动机才可以点火。(这也就是为什么早期的飞机没有钥匙的原因——一个人开不走啊)

发动机点火后在一个很低的转速上维持自身启动,然后等到四个发动机全部启动后,轻推油门发动机产生一点点的推力后滑向起飞跑道。

在空中如果遇到发动机停车的故障,因为飞机是在运动的状态下,因此迎面而来的气流就可以替代地面上的压缩空气车,这样直接点火就可以了,一般都可以重新启动发动机。


后期的时候

由于飞机上都带有APU(辅助动力单元)后,飞行员会先启动APU,然后APU带动发电机产生的电力会驱动涡扇发动机内部的一个电动机,这个电动机组会带动整个的涡轮开始转动以完成之前用压缩空气达到的目的。


很多喷气发动机的原理图上是没有绘制启动的电机组(图片中心部位的机械元件)的因此大家会产生发动机是怎么点火启动的疑问。

涡扇发动机,全称涡轮风扇发动机,因为它适合绝大多数的飞机航线,所以在飞机中应用十分普遍。

它的前身是涡轮喷气式发动机,后来不断发展,在喷气式发动机的后边增加了一个低速的低压涡轮,带动风扇,它的目的就是为了消耗涡喷发动机的排气动能,降低燃气排出速度,发动机的效率得到提高后,就会减少油耗,这样飞机就能飞得更远,但是因为它的风扇太大,和风接触的面积也大,所以对涵道比有一定要求。



涡轮风扇的核心机是由高压涡轮,燃烧室和高压压气机组成,它所产生的能量一部分给低压涡轮用来驱动风扇,另一部分用来加速排出燃气。当空气经过风扇时,空气经压缩机压缩,在燃烧室和燃油一起进行燃烧,产生的气体经涡轮和喷管后,从尾喷口喷出,产生向前的推力。

外涵气流随外函道直接排出,或者随内涵排气在喷管排出,内涵推力和外涵推力共同组成了涡扇发动机的推力。



涡轮风扇发动机如果安装了加力燃烧室,就会成为涡轮风扇发动机,涡轮风扇发动机分为混排涡轮风扇发动机和分排式涡轮风扇发动机,混排式的是内外两股气流在内涵涡轮的混合器中混合,随着喷气管排到大气中去;分排式则是靠安装在内涵涡轮后或外涵通道内的加力燃烧室。

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