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浅谈涡扇喷气发动机的基本构造和工作原理

 涡扇喷气发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮、喷管几大部分构成。涡扇发动机上的压气机一般是轴流式压气机,它是涡扇发动机上的核心部件之一。轴流式压气机由多级风扇构成,每一级都能产生增压作用,各级风扇产生的增压比的乘积就是整个压气机的总增压比值。和离心式压气机相比,轴流式压气机有体积小、流量大、单位效率高的优点。

 

    涡扇发动机使用双转子结构,目的就是提高压气机的效率。因为压气机效率的高低直接影响发动机的功率大小。

 

    一般来讲风扇级数多,产生的总增压比就越高。但是这样一来,就会增大发动机的体积和重量,大大降低发动机的推重比。为了提高压气机的总增压比值,人们只能想方设法去提高风扇的单级增压比。

 

    随着压气机的增压比越来越高,压气机可能会出现振喘,压气机出口温度会大大升高。这样防振喘和防热的问题又凸显出来。就要求我们去研制耐高温的材料,和解决压气机的振喘问题。

 

    现在一般使用新型的耐高温钛合金,一是重量轻,二是强度大,耐高温性能好。解决振喘问题就困难许多。振喘是发动机的一种不正常的工作状态,它是由压气机内的空气流量、流速、压力的空然变化而引发的。飞机进行加速、减速时,当飞机发动机进入异物时,都极有可能引起发动机振喘。

 

    人们利用调整风扇叶片间距,改进叶片的弯曲弧度,提高叶片的光洁度,采用整流叶片等方法来降低发动机的振喘,但直到现在人们还没有彻底解决这一问题。为防止振喘的出现,现在也有在发动机的压气机上安装放气阀门的方法。

 

    涡扇发动机通过燃烧室产生高压燃气, 涡扇发动机一般使用环状燃烧室。环形燃烧室的形状就像是一个同心圆,压缩空气与燃油在圆环中组织燃烧。由于环形燃烧室不像环管燃烧室那样是由多个火焰筒所组成,环形燃烧室的燃烧室是一个整体,因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管形燃烧室的温度均匀,而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也要比环管燃烧室的要少一些。均匀的温度场对直接承受高温燃气的燃气导流叶片的整体寿命是有好处的。

 

    由于燃烧室中的温度很高,所以无论环管燃烧室还是环形燃烧室都要进行一定的冷却,以保证燃烧室能更稳定的进行工作。单纯的吹风冷却早以不能适应极高的燃烧室温度。现在人们在燃烧室中最普便使用的冷却方法是全气膜冷却,即在燃烧室内壁与燃烧室内部的高温燃气之间组织起一层由较冷空气所形成的气膜来保护燃烧室的内壁。由于要形成气膜,所以就要从燃烧室壁上的孔隙中向燃烧室内喷入一定量的冷空气,所以燃烧室壁的很复杂,上面的开有成千上万用真空电子束打出的冷却气孔。在相同的燃烧室容积的情况下,环形燃烧室的受热面积要比环管燃烧室的受热面积小的多。因此环形燃烧的冷却要比环管形燃烧室的冷却容易的多。在除了冷却比较容易之处,环形燃烧室的体积、重量、燃油油路设计等等与环管燃烧室也有比较优势。 但与环管燃烧室相比,环形燃烧室的制作工艺难度较大,要求较高。同时要求它有更高的结构强度。。

 

    由于燃烧室的工作整体环境很复杂,现在人们还不可能完全用计算机去发现所有的问题、解决燃烧室所面临的问题,实验还是最有效地方法。 随着科技的进步,环形燃烧室的机械强度与调试问题,都以经得到了比较好的解决。

 

    油料和空气的混合物稳定可靠的燃烧,对发动机正常工作至关重要。为解决燃烧的不稳定性,科学家想了许多的办法,比如我国科学家利用沙丘驻涡的原理就很好的解决了这个世界难题。

 

    在燃烧室中产生的高温高压燃气道先要经过一道燃气导向叶片,高温高压燃气在经过燃气导向叶片时会被整流,并被赋予一定的角度以更有效率的来冲击涡轮叶片。其目地就是为了推动涡轮,各级涡轮会带动风扇和压气机作功。在涡扇发动机中,涡轮叶片和燃气导向叶片将要直接的承受高温高压燃气的冲刷。普通材料无法承受如此恶劣的工作环境。因此燃气导向叶片和涡轮叶片还有联接涡轮叶片的涡轮盘都必需是极耐高温的合金材料。一个国家没有深厚的基础科学研究,高性能的涡轮研制也就无从谈起。

 

    提高涡轮进口温度是提高涡扇发动机推力的有效途径,所以人们不遗余力的来提高涡轮的进口温度以使发动机用更小的体积和重量来产生更大的推力。温度越高对材料的要求也就越高,研制难度也就越大。 从材料以外,如今涡轮风扇中的涡轮叶片大都经过气体渗透来加强其表面的耐烧蚀,以及利用在空心叶片中不停用冷却气体流动来带走叶片上的热量进行冷却。

 

    涡轮的问题表面上看只是一个耐高温材料的问题。其实涡轮叶片和涡轮机匣在高温条件下工作时,由于热涨冷缩会产生一定的变形,由这些变形所引起的涡轮叶片与机匣径向间隙变异、扭曲变形,影响正常的工作,更大的难题还在于涡轮部件的加工工艺。比如进行涡轮盘粉末合金铸造时的杂质控制。

 

    尾喷管是涡扇发动机的最末端,流经风扇、压气机、燃烧室、涡轮的空气只有通过喷管排出了发动机之外才能产生真正的推力以推动飞机飞行。

 

    涡扇发动机的排气有两部分,一部分是外函道排气,一部分是内函道排气。所以相应的涡扇发动机的排气方式也就分成了二种,一种是内外函的分开排气,一种是内外函的混合排气。两种排气方式各有优劣,所以在现代涡扇发动机上两种排气方式都有使用。总的来说,在高函道比的涡扇发动机上大多采有内外函分开排气,在低函道比的战斗机涡扇发动机上都采用混合排气的方式,而在中函道比的涡扇发动机上两种排气方式都有较多的使用。 对于涡扇发动机来说,函道比越高的发动机其用油也就更省推力也更大。其原因就是内函核心发动机把比较多的能量传递给了外函风扇。

 

    加力就是在内函排气和外函排气中再喷入一定数量的燃油进行燃烧,以燃油的损失来换取短时间的大推力。一般在军用飞机使用加力。

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