爱问共享资料详解航空涡轮发动机文档免费下载，数万用户每天上传大量最新资料，数量累计超一个亿 ，详解航空涡轮发动机引言古往今来人类飞上天空的梦想从来就没中断过古人羡慕自由飞翔的鸟儿今天的我们却能借助飞机来实现这一理想鸟儿能在天空翻飞翱翔靠的是有力的翅膀而飞机能够呼啸驰骋云端靠的是强劲的心脏--航空涡轮发动机航空涡轮发动机也叫喷气发动机包括涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨发动机等几大类是由压气机燃烧室和涡轮三个核心部件以及进气装置涵道加力燃烧室喷管风扇螺旋桨和其它一些发动机附属设备比如燃油调节器起动装置等组成的其中压气机燃烧室和涡轮这三大核心部件构成了我们所说的核心机每个部件的研制都要克服巨大的技术困难因而航空...
详解航空涡轮发动机引言古往今来人类飞上天空的梦想从来就没中断过古人羡慕自由飞翔的鸟儿今天的我们却能借助飞机来实现这一理想鸟儿能在天空翻飞翱翔靠的是有力的翅膀而飞机能够呼啸驰骋云端靠的是强劲的心脏--航空涡轮发动机航空涡轮发动机也叫喷气发动机包括涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨发动机等几大类是由压气机燃烧室和涡轮三个核心部件以及进气装置涵道加力燃烧室喷管风扇螺旋桨和其它一些发动机附属设备比如燃油调节器起动装置等组成的其中压气机燃烧室和涡轮这三大核心部件构成了我们所说的核心机每个部件的研制都要克服巨大的技术困难因而航空涡轮发动机是名副其实的高科技产品是人类智慧最伟大的结晶其研制水平是一个国家综合国力的集中体现目前世界上只有美俄法英等少数几个国家能独立制造拥有全部自主知识产权的航空涡轮发动机2002年5月中国自行研制的第一台具有完全自主知识产权技术先进性能可靠的航空涡轮发动机--昆仑涡喷发动机正式通过国家设计定型审查它标志着我国一跃变成全球第五大航空发动机设计生产国昆仑及其发展型可完全满足今后若干年内我军对中等偏大推力涡喷发动机的装机要求将来在其基础上发展起来的小涵道比涡扇发动机还能够完全满足我国未来主力战机的动力要求是我国航空涡轮发动机发展史上的里程碑要了解航空涡轮发动机首先要从它的最关键部分--核心机开始核心机包括压气机燃烧室和涡轮三个部件它们都有受热部件工作条件极端恶劣载荷大温度高容易损坏因此航空涡轮发动机的设计重点和瓶颈就在于核心机的设计压气机压气机的作用是将来自涡轮的能量传递给外界空气提高其压力后送到燃烧室参与燃烧因为外界空气的单位体积含氧量太低远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的含氧量所以如果外界空气不经过压缩那么发动机的热力循环效率就太低了在航空涡轮发动机上使用的压气机按其结构和工作原理可大致分为两大类一类是离心式压气机一类是轴流式压气机离心式压气机的外形就像是一个钝角的扁圆锥体由于其迎风面积大现在已经不在主流航空涡喷涡扇发动机中使用了仅在涡轴发动机中有一些应用轴流式压气机因其中主流的方向与压气机轴平行而得名它是靠推动气流进入相邻叶片间的扩压信道来实现气流增压的轴流式压气机具有体积小流量大效率高的特点虽然轴流式压气机单级增压比不大约13～15但是能将很多级压气机叶片串联起来一级一级增压其乘积就是总的增压比轴流式压气机的这些优点使其成为现代航空涡轮发动机的首选压气机的主要设计难点在于要综合保证效率增压比和喘振裕度者三大主要性能参数满足发动机的要求压气机效率是衡量压气机性能好坏的重要指标它反映了气流增压过程中产生能量损失的大小如果效率太低能量损失过大压气机就是出力不讨好增压比是指压气机出口气压与进口气压之比这个参数决定了压气机给后面的燃烧室提供的服务的品质的好坏以及整个发动机的热力循环效率目前人们的目标是提高压气机的单级增压比比如在GE公司的J-79涡喷发动机上用的压气机风扇有17级之多平均单级增压比为116这样17级叶片的总增压比大约在125左右而F-22的F-119涡扇发动机的压气机中3级风扇和6级高压压气机的总增压比就达到了25左右平均单级增压比为143但随着压气机的增压比越来越高压气机喘振的问题凸显了出来喘振是发动机的一种不正常的工作状态是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的喘振是发动机的致命故障严重时可能会引起发动机空中停车甚至发动机致命损坏衡量发动机喘振性能的指标叫做喘振裕度就是说发动机的进气口流量变化多少会引发喘振这个值一般都要求达到15％甚至20％以上航空涡轮发动机性能要先进稳定工作范围宽首先要求喘振裕度要大压气机工作点距离喘振边界远其次发动机抗畸变能力要强进气口的气有时是不均匀的尤其是飞机做大机动动作时进气道唇口气流发生分离造成压气机进口畸变气流不均匀这时发动机的喘振裕度就会减小加减速又会把一部分喘振裕度消耗掉也会造成停车所以喘振裕度必须充足对畸变不敏感导弹的尾焰也易引起温度场畸变使发动机停车所以要有武器发射防喘自动控制系统早期的轴流式压气机多数为单转子轴流式压气机即各级压气机是装在同一根传动轴上由同一个涡轮驱动并以相同转速工作的这种压气机结构最简单但是当单转子的发动机在工作中转速突然下降时比如猛收小油门气流容积容量过大而形成堵塞因此导致前面各级低压压气机叶片处于小流量大攻角的工作状态这时就像飞机在大攻角飞行时出
现失速一样气流在压气机叶片后面开始分离这种分离严重到某些特定的程度就会出现喘振在单转子轴流式压气机中为降低低压部分在这样的一种情况下的攻角只好在压气机前加装可调导流叶片以降低气流攻角或者在压气机的中间级上进行放气即空防掉一部分已经增压的空气来减少压气机低压部分的攻角为了更好的提高压气机的工作效率并增加发动机喘振裕度人们想到了用双转子来处理问题即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下这样低压压气机与低压涡轮联动形成低压转子高压压气机与高压涡轮联动形成高压转子由于低压压气机和高压压气机分别装在两个同心的传动轴上当压气机的空气流量和转速前后矛盾时它们就可以自动调节推迟了前面各级叶片上的气流分离从而增加了喘振裕度然而双转子结构的发动机也并不是完美的在双转子结构的涡扇发动机上由于风扇通常和低压压气机联动风扇为了迁就压气机而必须在高转速下运行高转速带来的巨大离心力就要求风扇的叶片长度不能太大涵道比自然也上不去而涵道比越高的发动机越省油低压压气机为了迁就风扇也不得不降低转速和单级增压比单级增压比降低的后果就是不得不增加压气机的级数来保持一定的总增压比这样一来压气机的重量就难以下降未解决压气机增压比和风扇转速的矛盾人们很自然的想到了三转子结构所谓三转子就是在双转子发动机上又多了一级风扇转子这样风扇低压压气机和高压压气机都自成一个转子各自都有各自的转速因此设计师们就可以相对自由地设计发动机风扇转速风扇直径以及涵道比而低压压气机的转速也就可以不再受风扇的掣肘但和双转子发动机相比三转子发动机的结构进一步变得复杂三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子支撑结构更复杂轴承的润滑也更加困难三转子发动机比双转子发动机多了很多工程上的难题可是英国的罗尔斯·罗伊斯公司还是对它情有独钟罗·罗公司的RB-211涡扇发动机上用的就是三转子结构转子数量的增加带来了风扇压气机和涡轮的优化该型发动机装备在许多型号的客机上三转子的RB-211与同一技术时期推力同级的波音747用双转子JT9D涡扇发动机相比JT9D的风扇叶片有46片而RB-211只有33片压气机涡轮的总级数JT9D为22级而RB-211只有19级压气机叶片JT9D有1486片RB-211只有826片涡轮转子叶片RB-211是522片而JT9D多达708片但从支撑轴承上看RB-211有8个轴承支承点而JT9D只有4个为了千方百计提高压气机的喘振裕度除了采用双转子压气机外中间级放气以及机匣处理等措施已逐渐被普遍的应用在很多现代化的发动机上人们都保留了放气活门以备不时之需比如在JT9D涡扇发动机上普拉特·惠特尼公司就分别在高低压压气机的第4915级上保留了三个放气活门昆仑发动机也采用了先进的机匣处理解决措施以及数字式防喘控制管理系统燃烧室压气机后面紧跟的是燃烧室经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧产生高温度高压力燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出由此产生推力航空发动机对燃烧室的要求是第一燃烧室单位容积的发热量或是说热容强度要很高通俗的说就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧第二要保证足够高的燃烧效率第三保证经过燃烧室后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀燃烧室的后面是涡轮如果气流温度不均匀有的地方特别热有的地方特别冷相对的冷温度仍在千度左右涡轮就会受不了--同一个涡轮叶片转到热的地方就膨胀转到冷的地方就收缩一来二去叶片很快就会发生金属疲劳降低了常规使用的寿命燃烧室的设计难点在于油气二相混合物的流动特性既不同于液态又不同于气态这种流场很难建立精确的数学模型所以燃烧室的设计过程特别大程度上是通过实验来进行的需要完善的试验设备和较长的试验时间这也是我们为昆仑发动机走完全设计过程而额手称庆的原因之一--这说明我们的发动机试验和测试技术装备有了很大进步在喷气发动机上最常用的燃烧室有两种一种是环管燃烧室一种是环形燃烧室早期的航空涡轮发动机上还采用过单管燃烧室环管燃烧室是很常见的设计这种设计中燃烧室被分割成在垂直于发动机轴向的平面内环形布置的若干个火焰筒燃烧就被限制在这个空间内进行为满足发动机对燃烧室的要求火焰筒进行了巧妙的设计火焰筒面向压气机来流方向的顶端安装了扰流器燃油通过供油系统从火焰筒顶端的喷油嘴雾化喷出高压气流分两股进入燃烧室第一股气流通过扰流器进入火焰筒与雾化燃油混合直接参与燃烧而大量的约占总流量60％～70％第二股气
流则进入火焰筒与燃烧室外壳之间的空腔这股气流有两个作用其一是冷却隔热其二是通过火焰筒壁上经过精心设计角度的大量小孔以特定的速度和方向分批分期地进入火焰筒补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场从而确保燃气以相当均匀的温度场进入涡轮部件各火焰筒之间装有联焰管用来传播火焰以减少所需的点火装置还起到连通各个火焰筒保证各火焰筒压力大致相等的作用环形燃烧室是由两个与发动机同轴的套筒组成原先火焰筒的功能则由内套筒代替完成环形燃烧室的气流分布类似于环管燃烧室一股气流进入内套筒参与燃烧另一股气流则进入内外套筒之间的空腔然后再分期分批进入内套筒同样起到补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场的作用环形燃烧室不像环管燃烧室那样由多个火焰筒组成而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燃烧室均匀而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也比环管燃烧室少一些另外由于其暴露在高温燃气中的面积较小在冷却和隔热方面也比环管燃烧室有优势而且进入的空气可以更多地参加燃烧和搀混从而大幅度的提升了燃烧效率和涡轮前温度使发动机推力得到提高虽然与环管燃烧室相比环形燃烧室也存在着一些不足但是这些不足不是性能上的而是制造工艺上的随着科学技术的进步环形燃烧室的机械强度和调试问题如今都已得到了比较圆满的解决由于环形燃烧室固有的优点在20世纪80年代之后研发的新型航空涡轮发动机采用的几乎都是环形燃烧室昆仑发动机上就采用了环形燃烧室的技术涡轮经过了这么多热身高温度高压力气流终于能大显身手进入涡轮做功了不过在工作之前先要排好队--在燃烧室中产生的高温度高压力燃气首先要经过一道燃气导向叶片高温度高压力燃气在经过燃气导向叶片时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮叶片从航空涡轮发动机这个称呼上就能够准确的看出涡轮在发动机里的重要性涡轮其实就是一个风车在燃烧室来流的冲击下转动涡轮的作用就是将一部分高温度高压力燃气的能量通过传动轴传递给前面的压气机使其能战场工作在涡扇涡桨发动机中涡轮还要驱动风扇和螺旋桨叶片涡轮是航空涡轮发动机三大核心部件中的苦力它干的活最重自身压力最大而且工作环境最差说它干的活最重是指每级涡轮要发出很大的功率在现代航空涡轮发动机上通常只有不超过三级的涡轮可是就这么几级的涡轮却要发出上万匹马力的功率自身压力最大是说涡轮叶片在非常快速地旋转时由于其本身的重量会受到相当大的离心力大到涡轮全速旋转时其离心力相当于在每个叶片上吊挂了一辆5吨卡车说它工作环境最差则是指涡轮的工作条件可以用高温度高压力高速三个高来形容现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到1800K甚至2000K约1727摄氏度超过大多数金属材料的熔点涡轮进口气压高达几十个大气压在涡轮叶片边缘的气流速度通常可以接近甚至超过音速只有这样的气流冲击到涡轮上才能使涡轮发出足够大的功率换句话说能在三高条件下稳定工作就是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基础要求对于气流而言温度速度和压力使紧密关联的三个参量于是三高要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面了而涡轮进口温度也就成了衡量发动机性能好坏的一个关键性指标矛盾恰好也在这里涡轮进口温度提高使发动机性能得到一定的改善但与此同时涡轮开始叫苦不迭了怎么样提高涡轮的耐热性能呢有这样几个办法第一强制冷却发动机设计人员在涡轮叶片上设计了很多细小的管道高压冷空气通过这一些管道流经高温叶片起到强制冷却作用这就是空心气冷叶片最早的涡扇发动机--英国罗·罗公司的康维发动机就使用了空心气冷叶片除了在燃烧室中使用的气膜冷却之外在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对流冷却和空气冲击冷却对流冷却就是在空心叶片中不停地有冷却气流流动以带走叶片上的热量空气冲击冷却也叫气膜冷却其实就是一种被加强的对流冷却即用一股或多股高速冷却气流强行喷射在要求被冷却的表面冲击冷却一般用在燃气导向叶片和涡轮叶片的前缘上由空心叶片的内部向叶片的前缘喷射冷却气体以强行降温冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片和涡轮叶片前缘的孔隙中流出被燃气带动在叶片的表明产生冷却气膜但是开在叶片前缘的冷却气流孔隙会使叶片更加难以制造而且这些孔隙还会导致应力集中对叶片的寿命产生负面影响可是由于气膜冷却要比对流冷却的效果好的多所以人们还是不惜代价地在叶片上采用气膜冷却从某一种意义上来说在燃气导向叶片和涡轮叶片
上使用更科学合理的冷却方法可能要比开发更先进的耐高温合金更实际一些因为采用空心冷却技术要比开发新合金投资少见效快现在涡轮进口温度的提升其一半的功劳要归功于冷却技术的提高由于采用冷却技术目前各涡轮叶片实际所承受的温度要比涡轮进口温度低200～350摄氏度所以说叶片冷却技术对提高涡轮工作时候的温度功不可没第二采用新的耐热材料制造涡轮叶片一些先进航空发动机公司已开始探索用耐热性能更好的陶瓷等材料制造涡轮叶片可是如果没有深厚的科学基础作保证高性能的涡轮材料研制也就无从谈起当今有实力研制高性能涡轮的国家都把先进的涡轮盘和涡轮叶片的材料配方和生产的基本工艺当作最高机密也正是这个小小的涡轮减缓了一些国家成为航空大国的步伐普通的碳钢在800～900℃时强度就大幅度的降低了但是在其中加入其它一些金属成分尤其是镍铬钨等制成耐热合金耐高温水平就可以逐步的提升我国在五十年代刚开始研制航空涡轮发动机时的耐热合金的顶配水平是800℃在做了大量研究试验工作后提高到了900℃后来几十年经过大量试验研究差不多每年都能提高二三十度现在大约是1200～1300℃相当于1473～1573K加上耐热涂层气动冷却和精密铸造的应用我国先进航空涡轮发动机的涡轮前温度能达到1800～1900K达到了世界领先水平第三通过改进叶片的制造工艺挖掘现有叶片材料的耐热潜力早在航空涡轮发动机诞生之初人们就在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的常规使用的寿命在JT3D涡扇发动机的涡轮叶片上普·惠公司就用渗透扩散法在涡轮叶片上镀上一层铝硅涂层这种扩散渗透法与我们日常应用的手工钢锯条渗碳工艺有点类似经过渗透扩散铝硅的JT3D一级涡轮叶片其理论工作寿命高达15900小时精密铸造技术也是推动涡轮叶片技术进步的重要手段比如说单晶体叶片是通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为一个单晶体避免了晶格缺陷比之传统工艺的叶片其高温强度提高8倍以上技术难度稍低而性能与单晶叶片接近的是定向凝固叶片昆仑发动机上就采用了先进的复合气冷定向凝固无余量精铸涡轮叶片该叶片要求一次成型合格不需要再加工而且要求厚度非常均匀这项技术具有世界领先水平被称为现代航空涡轮发动机技术皇冠上的一颗明珠而这颗明珠如今已被中国科研人员牢牢摘得要生产出符合标准要求的先进涡轮叶片需要许多基础工业技术如材料冶金机械加工工艺和检测等的全面进步有人甚至说像中国这样的大国集中人力物力可以在极短的时间内搞出两弹一星但是由于基础工业的薄弱很难在短时间之内研制出一种能批量生产的先进航空涡轮发动机因此昆仑的研制成功的确反映了我国以基础工业为代表的综合国力的全面提高加力燃烧室加力燃烧室是军用航空涡轮发动机特有的部件一般来讲当气流从燃烧室出来时的温度即涡轮后温度越高输入的能量就越大发动机的推力也就越大但是由于涡轮材料等的限制目前航空涡轮发动机的涡轮后温度只能达到1650K左右现代战斗机有时需要短时间增加推力就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油让没有正真获得充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧由于加力燃烧室内无旋转部件温度可达2000K可使发动机的推力增加至15倍左右其缺点就是油耗急剧加大同时过高的温度也影响发动机的寿命因此发动机开加力一般是有时限的低空不过十几秒多用于起飞或战斗时在高空则可打开较长的时间加力燃烧室里最重要的部件叫做火焰稳定器火焰稳定器究竟起啥作业呢打个比方如果点起一支蜡烛风一吹它就灭了这是因为风的气流使火焰不稳定如果加力燃烧室里面没有火焰稳定器在加力燃烧室里就点不着火因为有那么高速高温度高压力的气流在那儿流动着要点着火是十分艰难的火焰稳定器为什么能够起稳定火焰的作用呢原因主要在于它是一圈带有角度的喇叭口这组供油气流从前边流过来到了这一个地区形成一个旋流再喷油点火就可以燃烧起来再喷油点火就可以烧到后面去这样就可以使得加力燃烧室点起火来持续地燃烧自20世纪40年代涡轮喷气发动机面世以来V型槽火焰稳定器一统天下但火焰不易稳定而且效率低耗油率高更可怕的是有可能会出现振荡燃烧严重危及飞行安全在世界航空史上因航空发动机出现振荡燃烧故障而导致机毁人亡的事故并不罕见几年来美苏俄英相继研制出了几种新型火焰稳定器但性能上没有重大突破中国的航空发动机专家高歌受到沙漠中的沙丘启发在导师著名燃烧专家宁榥教授的指导下研制成功了沙丘驻涡火焰稳定器沙丘驻涡火焰稳定器使火焰燃烧的稳定范围提高了好几倍还能降低燃油消耗增大发动机推力可谓一举多得我国从198
4年的涡喷－13F发动机开始一直到最新的昆仑上都应用了这一技术1984年12月1日国家发明奖评审委员会经过严格审核决定给高歌等研究成功的沙丘驻涡火焰稳定器设计理论及方法颁发国家发明一等奖著名科学家钱学森高度评价这一成果认为它是一项为中国人争气的很有价值的重要发明是一个很大的技术突破是在航空发动机领域里的重大建树喷管不论是涡喷发动机还是涡扇发动机其做功最终都得依靠喷管喷管最基本的功能就是把发动机中高温度高压力燃气的内能转化为动能产生推力航空涡轮发动机的推力主要根据喷管出口的排气速度所以喷管又被称为推力喷管或者推进器也有的文献把它叫做尾喷口因为喷管的通道截面积是逐渐缩小收敛的所以流经气流的速度逐渐加快对于一台发动机来说喷口面积越小排气速度越大推力也越大但是当喷口面积小到某一个量值时由于涡轮后温度的限制推力不再增加因为此时喷管出口截面的气流速度已达到音速喷口处于临界状态相当于自来水龙头起到节流的作用从20世纪50年代中期起战斗机上的涡轮发动机都安装了加力燃烧室它使得气流温度骤然增加几百到上千摄氏度发动机的容积流量因此大幅度提升这样一来出口面积固定和简单收敛的喷管就不足以满足发动机的工作需要了为了能够更好的保证发动机的工作状态不变加力工作时必须加大节流面积50％～170％这样就必须把喷口出口面积设计成可调的可调收敛喷管不仅是开加力的需要它还带来另一个好处能改变发动机的流量特殊性质和起动特性这一点对于现代多级高增压比轴流式压气机是很重要的因为能借助喷口面积的改变来改善和扩大发动机的稳定工作范围也就是喘振裕度目前锥形收敛可调喷管的收敛一般由连杆机构操纵也被形象地称为鱼鳞式可调喷管加力发动机使飞机进入了超音速时代由于超音速飞行产生的静压作用使得发动机排气压力增加导致喷管的落压比排气流在喷口截面的压力与环境压力之比也随之增加达到15～20甚至更高这时喷口的排气流是在极度欠膨胀的情况下工作的以至于推力损失高达百分之几十为了回收这部分推力人们在主喷管的出口处加了一个外套管或者叫做引射罩这就是引射喷管它使发动机在原来主喷管收缩端即节流截面的后方新增加了一个引射器的出口截面这样主气流在离开发动机之前又引进了一股或多股新的流量致使总的排气量增加而且这种结构的喷管允许气流进一步膨胀进一步增大了排气速度使发动机的推力加大引射喷管虽然能使飞机超音速飞行时的推力增加但是由于引射罩与主喷管之间有一个环形空间会在低速或亚音速飞行时引起气流分离从而造成所谓的底阻这种底部阻力抵消了发动机的一部分推力为此经过改进收扩式喷管应运而生它使喷管流道先缩小再扩大允许气流在喉道处达到音速后进一步加速为超音速气流由于它在收缩段末段截面喉道和扩张段出口截面喷口都可调因此既拥有非常良好的亚跨音速性能又有极佳的超音速性能目前各国正在服役的第三代战斗机上普遍采用的就是收扩式喷管现代高技术条件下的战争对喷管提出了更高的要求这就是不仅提供推力还能借助推力改变飞机的飞行方向于是推力矢量喷管应运而生目前很成熟的方案有三类第一类是空心球铰或球关节是在原来主喷管前加装一个球形铰并通过它来实施推力转向俄罗斯雅克-141的发动机和美国F-35上的F-110-GE-129发动机采用的都是这类方案由于可以使推力发生90°以上的变化故该方案适用于垂直起降飞机第二类是空间复式连杆机构是在轴对称喷管的扩张段借助一个名叫转向环的零件实施转向典型例子有俄罗斯苏-37的AL-31-FU发动机它可以使飞机不依赖气动控制面而在三个方向上进行机动故也称为三元喷管第三类是以美国F-22的F119为代表的二元喷管不仅仅具备仅次于三元喷管的良好机动性还使飞机具有隐身能力和超音速巡航能力在技术上也比三元喷管简单发动机推力主要是高温度高压力高速气体排出喷管而产生的反作用力排气温度高达2000K以上流速能达到甚至超过音速在这样的高温度高压力高速气流冲刷下要求喷管转动灵活没有卡涩密封性好不漏气否则热气流就会烧蚀飞机尾部还要减轻重量并能精确控制截面积形状和角度所以推力矢量喷管的研制是一个极大的技术难题但是装有推力矢量喷管的发动机具有以过失速能力和短距起降能力为代表的超机动能力无论是高速还是低速甚至零速度都有良好的飞行操纵品质是新一代战斗机的必备功能也是现役第三代战斗机的改进方向所以它慢慢的变成了了各航空大国关注中的焦点我国航空工程师目前也在从事这方面的技术探讨研究工作涡喷涡扇涡桨简单地说从外形上看就像搭积木一
样把压气机燃烧室和涡轮这三大核心部件装在一根管子术语叫做涵道里面后面再加上加力燃烧室喷管就是一台标准的涡轮喷气发动机简称涡喷在涡喷的前端加上直径较大的螺旋桨就是涡轮螺旋桨发动机简称涡桨将涡桨的螺旋桨外边套上一个管子外涵道原来的那根管子就叫内涵道就成了涡轮风扇发动机简称涡扇当然上边说的仅仅是为了便于理解而大大简化的定义而实际上远远没那么简单特别是从涡喷到涡扇的这一步涡喷涡扇和涡桨的主要不同之处在于发动机的推力组成不同涡喷最简单根据牛顿第三定律--作用力等于反作用力涡喷发动机把燃烧后的高温度高压力气流以很高的速度排出喷管相应地获得一个向前的推力涡扇和涡桨就复杂一点了其推力组成除了喷管排气的推力还要加上前面风扇或螺旋桨向后吹风产生的拉力更详细地说起来就不能不提到我们平常所说的涡喷费油涡扇次之涡桨省油为什么这么说呢如前所述涡喷发动机的推力是由喷管排气产生的但是排出的这股气流还有很高的速度温度和压力当气流喷出喷管后其中残余的热能动能和压力能就不能对发动机总推力有任何贡献所以浪费了燃油这种浪费是十分惊人的涡喷发动机的优点是一方面由于其迎风面积小故总体阻力较小雷达反射面积也相应减少适合应用于主要在地面引导下遂行国土防空任务的高空高速截击机上另一方面随着超视距空战的发展对战斗机高速巡航性能的重视又有所回升而阻力较小的涡喷飞机可以较容易地实现超音速巡航涡扇发动机则不同设计师们在涡扇发动机上采取了几点措施有效地利用了排气中的残余能量首先在发动机前部设置风扇利用风扇排气产生推力这个风扇需要由后边的涡轮驱动当燃气冲击涡轮驱动前部风扇的时候由于其对涡轮做功气流的温度速度和压力都会降低这就降低了排气的能量损失其次在军用涡扇发动机上外涵道来流风扇排气在加力燃烧室与高温燃气混合被其加热加速增压混合后排气的总体温度速度和压力进一步下降但此时的总排气质量上升大幅度增加了总推力在目前只要设计上需要涡喷发动机能达到的技术指标涡扇发动机几乎都能达到由于耗油率明显降低在航程上又具有涡喷发动机不能够比拟的巨大优势所以当今世界上的先进战斗机均采用小涵道比的大推力涡扇发动机涡桨发动机的经济性更好在涡桨发动机的推力构成中发动机排气产生的推力微乎其微甚至不到总推力的10％燃烧室来的燃气能量几乎全部用来驱动前部的压气机和大直径螺旋桨于是总体排气的温度压力都很低甚至同周围环境中的大气的温度压力区别不大同涡喷涡扇相比排气速度也一下子就下降总排气质量进一步提升于是涡桨发动机最省油但是涡桨为什么没有取代涡扇成为主流选择呢这是因为涡桨发动机存在难以弥补的先天缺陷飞行速度不能太高不可能超过音速了解空气动力学的朋友都知道任何飞行器在接近音速的时候会遇到一个巨大的难题--音障当使用涡桨发动机的飞机时速达到700～900千米时由于螺旋桨的直径较大桨尖的线速度就会接近甚至超过音速于是出现巨大的噪音阻力和振动甚至会导致发动机空中解体音障的问题能通过使用大后掠角桨叶的方法得到部分缓解但无法最终解决同时由于涡桨发动机的巨大迎风面积相应的阻力也十分巨大因此涡桨发动机目前只在对速度和机动性要求不高的运输机和轰炸机上采用结语我国的陆海空机械化兵器大多都有心脏病不论是飞机坦克装甲车辆还是舰艇动力装置都不尽如人意武器平台受到重视了动力装置往往容易受到忽视再加上常规动力在国际上大多都能买到虽然国外不会卖给我们最先进的但是稍微落后的系统都还能用所以不容易下自行研制的决心搞动力比搞平台难动力装置在高温度高压力高转数高负荷等严酷条件下工作外形又十分复杂相互之间干扰大试验花费的资金多时间长要建立许多特殊的实验设备所以动力装置是资金密集技术密集风险密集的一个产业搞得不好就会使企业濒临倒闭甚至破产航空涡轮发动机的研制是一个系统工程涉及到为数极多的学科和专业诸如空气动力学流体力学材料化学机械加工冶金工程等等它的研制需要雄厚的资金后盾先进的基础学科研究以及大量经验教训的积累和强大的综合国力正确的决策导向以及国家的全力支持也是分不开的先进的发动机作为军用飞机的强劲心脏能使军用飞机的战斗力得到成倍增长航空涡轮发动机工业还能产生溢出效应其派生出的舰用车用民用燃气轮机能成为舰艇和坦克装甲车辆的优秀动力装置以及用于发电热联供地面输气加压站和核生化洗消等多个角度因此拥有发达而独立自主的航空涡轮发动机工业不仅是一个国家强大的体现更是其叱咤万里长空布国威于四方有效遏制一切分裂图谋的坚实物质基础
本文档为【详解航空涡轮发动机】，请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑， 图片更改请在作品中右键图片并更换，文字修改请直接点击文字进行修改，也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生，若发现您的权利被侵害，请联系客服邮件，我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权，请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关联的内容(国旗、国徽、党徽..)目的是配合国家政策宣传，仅限个人学习分享使用，禁止用于任何广告和商用目的。
