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航天動畫分享--飛機渦輪發動機工作原理,真是難得一見!
20世紀30年代后期到20世紀40年代初,噴氣發動機在英國和德國的誕生,開創了噴氣推進新時代和航空事業的新紀元。現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成,戰斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。
渦輪風扇發動機用途廣泛、市場巨大,對國民經濟發展、國防建設和科技進步具有重大推動作用和戰略意義。渦輪風扇發動機(簡稱渦扇發動機)的優點是推力大、推進效率高、噪音低、燃油消耗率低、飛機航程遠。尤其大涵道比渦扇發動機,其性能與適航要求更高、經濟性與環保性更好。
一.渦扇發動機工作原理
空氣經過風扇后分成兩路:一路是內涵氣流進入發動機經壓氣機壓縮,對氣體做功使氣體的壓力升高、容積減小,空氣被壓縮的越厲害會使發動機產生的熱效率越高。如果是兩級壓縮機的高壓壓氣機,其壓縮進入核心發動機的空氣,在燃油被加入到核心發動機后與核心發動機的壓縮空氣混合,同時被點燃并燃燒。混合氣體燃燒過程中溫度升高,壓力基本不變,體積迅速增大,產生的燃氣進入渦輪中持續膨脹,膨脹的氣體到達噴管后繼續膨脹。在整個氣體膨脹過程中,渦輪要從燃氣中提取部分能量,剩下的熱能一部分轉化為動能,使燃氣高速噴出,還有一部分熱能隨燃氣排掉,這一過程中的壓力和溫度下降,體積不斷增加。另一路是外涵氣流,風扇后空氣經外涵道直接排入大氣或同內涵燃氣一起在噴管排出。渦扇發動機的推力就是利用從尾噴口出來時的氣體完全膨脹的情況獲得的。
風扇的轉速提供N1發動機參數,高壓轉子的轉速提供N2發動機參數(如果是三個壓氣機的N2代表中壓轉子轉速,N3代表高壓轉子轉速),其中N1和N2參數以百分比顯示當先轉速。
二.渦扇發動機主要組成
渦扇發動機包括風扇、進氣道、低壓壓氣機、高壓壓氣機燃燒室、驅動壓氣機的高壓渦輪、驅動風扇的低壓渦輪、尾噴管(見圖2~3)、附件傳動系統、燃油系統、點火和起動系統、滑油系統、全權數字發動機控制FADEC、空氣系統、反推系統等。
圖:羅羅三轉子的渦扇發動機示意圖
空氣首先進入的是發動機的進氣道,當飛機飛行時,可以看作氣流以飛行速度流向發動機,由于飛機飛行的速度是變化的,而壓氣機適應的來流速度是有一定的范圍的,因而進氣道的功能就是通過可調管道,將來流調整為合適的速度。
進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流壓力的,空氣流過壓氣機時,壓氣機工作葉片對氣流做功,使氣流的壓力,溫度升高。在亞音速時,壓氣機是氣流增壓的主要部件。
從燃燒室流出的高溫高壓燃氣,流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能,帶動壓氣機旋轉,在渦輪噴氣發動機中,氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。
經過燃燒后,渦輪前的燃氣能量大大增加,因而在渦輪中的膨脹比遠小于壓氣機中的壓縮比,渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多,發動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。
從渦輪中流出的高溫高壓燃氣,在尾噴管中繼續膨脹,以高速沿發動機軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多,使發動機獲得了反作用的推力。