渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖—渦輪噴氣發(fā)動機的工作原理
渦輪噴氣發(fā)動機(英語:Turbojet,簡稱噴氣發(fā)動機)是一種渦輪發(fā)動機。特點是完全依賴燃氣流產(chǎn)生推力。通常用作高速飛機的動力。油耗比渦輪扇發(fā)動機高。
渦噴發(fā)動機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)動機的E-28/39才第一次上天,一直試飛到了1944年,因此沒有參加第二次世界大戰(zhàn)。二戰(zhàn)盟軍唯一參與過作戰(zhàn)噴氣式戰(zhàn)斗機是格洛斯特流星式。軸流式誕生在德國,并且作為第一種實用的噴氣式戰(zhàn)斗機Me-262的動力參加了1944年末的戰(zhàn)斗。相比起離心式渦噴發(fā)動機,軸流式具有橫截面小,壓縮比高的優(yōu)點,但是需要較高品質(zhì)的材料——這在1945年左右是極為稀少和昂貴的。當今的渦噴發(fā)動機多為軸流式,而小型發(fā)動機上仍可能使用離心式壓縮,以減輕重量和減去不必要的推力。
離心式渦輪噴氣發(fā)動機的原理示意圖 圖片注釋:順時針依次為:離心葉輪(壓縮機),軸,渦輪機,噴嘴,燃燒室
軸流式渦輪噴氣發(fā)動機的原理示意圖 圖片注釋:左至右依次為:壓氣機、燃燒室、軸、渦輪、尾噴管
軸流式渦噴發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)如圖,空氣首先進入進氣道,因為飛機飛行的狀態(tài)是變化的,進氣道需要保證空氣最后能順利的進入下一結(jié)構(gòu):壓氣機。進氣道的主要作用就是將空氣在進入壓氣機之前調(diào)整到發(fā)動機能正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在超音速飛行時,機頭與進氣道口都會產(chǎn)生激波,空氣經(jīng)過激波壓力會升高,因此進氣道能起一定的預壓縮作用,但是激波位置不適當將造成局部壓力的不均勻,甚至有可能損壞壓氣機。所以一般超音速飛機的進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)進氣或機腹進氣的飛機由于進氣道緊貼機身,會受到附面層的影響,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身表面流動的一層空氣,其流速遠低于周圍空氣,但其靜壓比周圍高,形成壓力梯度。因為其能量低,不適于進入發(fā)動機而需要排除。當飛機有一定迎角時由于壓力梯度的變化,在壓力梯度加大的部分(如背風面)將發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象,即本來緊貼機身的附面層在某一點突然脫離,形成湍流。
湍流是相對來說的,簡單說就是運動不規(guī)則的流體,嚴格的說所有的流動都是湍流。湍流的發(fā)生機制、過程的模型化現(xiàn)在都不太清楚。但是非指湍流不好,在發(fā)動機中很多地方例如在燃燒過程就要充分利用湍流。
渦噴發(fā)動機的動畫
一個典型的軸流式渦輪噴氣發(fā)動機圖解(淺藍色箭頭為氣流流向)
圖片注釋:1 - 吸入, 2 - 低壓壓縮, 3 - 高壓壓縮, 4 - 燃燒, 5 - 排氣, 6 - 熱區(qū)域, 7 - 渦輪機, 8 - 燃燒室, 9 - 冷區(qū)域, 10 - 進氣口
壓氣機的渦輪葉片由定子(stator)葉片與轉(zhuǎn)子(rotor)葉片交錯組成,一對定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片稱為一級,定子固定在發(fā)動機框架上,轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與渦輪相連。現(xiàn)役渦噴發(fā)動機一般為8-12級壓氣機。級數(shù)越多越往后壓力越大,當戰(zhàn)斗機突然做高機動時,流入壓氣機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)動機工作極不穩(wěn)定的狀況,工程上稱為“喘振”,這是發(fā)動機最致命的事故,很有可能造成熄火甚至結(jié)構(gòu)毀壞。 防止“喘振”發(fā)生有幾種辦法。經(jīng)驗表明喘振多發(fā)生在壓氣機的5,6級間,在此區(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與渦輪,后級高壓壓氣機與另一組渦輪,兩套轉(zhuǎn)子組互相獨立,在壓力異常時自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,也可避免喘振。
空氣經(jīng)過壓氣機壓縮后進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。因為渦輪與壓氣機轉(zhuǎn)子連在一根軸上,所以壓氣機,壓氣機與渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的。最后高溫高速燃氣經(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?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。目前多采用粉末冶金的空心葉片,整體鑄造,即所有葉片與葉盤一次鑄造成型。相比起早期每個葉片與葉盤都分體鑄造,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,中空葉片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰(zhàn)機研制的新型發(fā)動機將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的葉片。這些手段都是為了提高渦噴發(fā)動機最重要的參數(shù)之一:渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率,高功率。
噴管(nozzle)的形狀結(jié)構(gòu)決定了最終排出的氣流的狀態(tài),早期的低速發(fā)動機采用單純收斂型噴管,以達到增速的目的。根據(jù)牛頓第二定律,燃氣噴出速度越大,飛機將獲得越大的反作用力。 但是這種方式增速是有限的,因為最終氣流速度會達到音速,這時出現(xiàn)激波阻止氣體速度的增加。而采推力矢量發(fā)動機,而世界上第一種正式服役的第五代戰(zhàn)斗機——美國的F-22更將此一技術(shù)發(fā)展至一個更成熟、可靠的層級,比起前兩者也有更好的性能。燃氣舵面的代表是美國的X-31技術(shù)驗證機。
在經(jīng)過渦輪后的高溫燃氣中仍然含有部分尚未來得及消耗的氧氣,在這樣的燃氣中繼續(xù)注入煤油仍然能夠燃燒,產(chǎn)生額外的推力。所以多數(shù)現(xiàn)代戰(zhàn)機戰(zhàn)機的發(fā)動機在渦輪后加裝了加力燃燒室,以達到在短時間里大幅度提高發(fā)動機推力的目的。一般而言加力燃燒室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付激烈的空中纏斗,唯一可以在超音速巡航時全程開啟、并達到最佳效率的是SR-71。
渦噴發(fā)動機適合航行的范圍很廣,從低空低亞音速到高空超音速飛機都廣泛應用。前蘇聯(lián)的戰(zhàn)斗機米格-25高空超音速戰(zhàn)機即采用米庫林-圖曼斯克設(shè)計局的渦噴發(fā)動機作為動力,曾經(jīng)創(chuàng)下3.3馬赫的戰(zhàn)斗機速度紀錄與37250米的升限紀錄。(這個紀錄在一段時間內(nèi)不太可能被打破的)
與渦輪扇發(fā)動機相比,渦噴發(fā)動機燃油經(jīng)濟性要差一些,但是高速性能要優(yōu)于渦扇,特別是高空高速性能。