涡扇发起机结构及作业原理科普贴(图文)
来源:CNAS实验室认证    发布时间:2023-11-15 21:06:31 ...


  涡扇发起机是现代先进战斗机的心脏,它是高科技的结晶,是工业和资料科学高度发达的产品,多少国家因为它而被挡在航空大国之外。或许有人会想,这样一个高科技的结晶,咱们一般人想必很难了解它是怎么作业的吧?其实并非是这样,它的作业原理仍是很简单了解的。作为军迷,对它知道就能自己判别一些音讯的真伪,识破一些清楚明了的谎话。本文就对涡扇发起机进行扼要科普,只需学过初高中物理的同学都看得懂,想得通。上图是涡扇发起机的剖视图,将其更进一步简化,就得到下面的平面示意图(尽管图2是大涵道比的发起机,但根本结构相同,用于说明不妨)。以下说明请对照这两张图来阅览。

  涡扇发起机的全体的结构可以看做由一粗一细的两根管子套在一同构成的。较细的那根管子早年到后顺次包裹着低压压气机、高压压气机、焚烧室、高压涡轮、中/低压涡轮,最终衔接到尾喷管(战机发起机在尾喷管前还常有加力焚烧室)。因为各级压气机叶轮的直径逐步缩小,较细的这根管子不是直桶形,而是类似于细腰花瓶相同的形状(图1)。这根较细的管子所包裹的内部空间就叫做内在道。而套在内在道外部的较粗的管子早年到后顺次包裹着电扇(民航客机发起机上可见的旋转叶轮)和部分或整个内在道。涡扇发起机是这样作业的:旋转的电扇从发起机前方吸入空气,其间一部分空气进入内在道,另一部分进入外涵道。进入内在道的空气再经过一系列串联的叶轮,即压气机(为简化起见,压气机的结构和原理今后叙说,这儿权且把压气机当作一系列直径较小的电扇),每经过一级压气机空气就被紧缩,密度增大、温度上升。经过低压和高压压气机紧缩的空气持续向前来到焚烧室,在焚烧室中与喷入的燃油混合焚烧。焚烧的高温使空气胀大冲击焚烧室后方的涡轮。涡轮就像风车相同,所不同的是风车是靠活动的空气驱动,而涡轮是靠焚烧室排放的高温度高压力燃气驱动。燃气驱动涡轮做功,因为涡轮跟电扇、低压和高压压气机连在同一根轴上,因而涡轮带动前方的电扇、高压和低压压气机滚动,持续为焚烧室供给空气。这样,一个安稳的做功循环就建立起来了。至于进入外涵道的空气则直接从外涵道结尾排出。

  现代喷气飞机的发起机大多选用环形焚烧室,其形状就像一个救生圈,它合抱着涡轮轴,在其前方是电扇和压气机,后方是涡轮(图4)。经过电扇和压气机加压的高压空气从焚烧室前端进口进入焚烧室,在焚烧室内部与喷入的燃油混合焚烧。咱们都知道物体有热胀冷缩的性质,其间特别以气体在受热时胀大的起伏最大。在燃料焚烧放出的高热效果下,高压燃气升温并胀大。这股敏捷胀大的高温度高压力燃气从焚烧室另一头的环形出口喷出,经设置在焚烧室出口外的导流叶片偏转喷发视点今后,燃气以最适宜的视点喷发涡轮叶片,“吹动”涡轮滚动。小时候玩过用嘴吹动风车的人都知道,只需以某个特定的适宜视点吹风车时,风车才转得最快,焚烧室出口的导流叶片的效果,便是调整燃气气流视点,使其最有功率地推进涡轮滚动。

  涡轮是一种能把流体的动能转化为扭矩输出的机械设备。水电站的水轮、火电站和航母上的蒸汽轮机的汽轮、燃气轮机的燃气涡轮都是某种方式的涡轮,只不过它们的作业介质不同,分别是液态水、水蒸气和燃气。涡轮的作业环境线的发起机为例,其涡轮进口处的燃气温度就有1400多K(1100摄氏度以上),而美国的F22的发起机,其涡轮进口的燃气温度更到达1700K(1400摄氏度以上)。在如此高温的环境中长时刻作业,一般的钛合金都会软化变形。因而开宣布适宜的耐高温资料就成为出产大推力航空发起机的要害之一。因为陶瓷的脆性等原因,现阶段还没有一种有用的陶瓷涡轮被开宣布来,因而,各航空大国的注意力都会集在了耐高温合金资料的开发。镍系合金资料确实可以耐高温,但其密度较大,会拉低发起机的推重比(发起机推力与自重之比),因而在需求锱铢必较的航空用涡扇发起机上,科研人员会集精力开发耐高温的轻合金资料和加工工艺来满意出产涡轮盘和涡轮叶片资料的需求。这种配方也都是各国航空发起机的中心秘要。

  涡扇发起机中,以焚烧室为界,前方的电扇、压气机归于被带动的从动部分,而后方的涡轮归于直接发生动力的自动部分。把涡轮的动力传递给电扇和压气机的,便是坐落发起机中轴线上,穿过救生圈形的环状焚烧室的涡轮轴。假如电扇、压气机和涡轮都串联在同一根涡轮轴上,那么它们转速也必定持平,这叫做一级传动。可是,一级传动关于进一步提高涡扇发起机的推力,挖掘潜力来说是很大的妨碍。因为电扇和压气机其实各自有自己最理想的作业转速,假如让它们在一根轴上,那么转速必定相同,不行能使两边一起在最高功率的转速下作业。坐落发起机最前端的电扇是一切叶轮中直径最大的,直径大拨动的空气就多,所受阻力天然就大,再加上相同转速时直径越大离心力越大,因而,电扇的最佳作业转速较低,大涵道发起机的巨大电扇更是这样。但是,压气机,特别是高压压气机需求在极高转速下才干高效地紧缩空气。为此,就呈现了可以使电扇和压气机在不同转速下作业的二级、乃至三级传动体系。

  二级传动体系是把涡轮分红两部分,即高压和低压涡轮。紧靠着焚烧室出口后方的几枚涡轮叫做高压涡轮。因为驱动高压涡轮的是刚从焚烧室排出的高温度高压力燃气,因而高压涡轮的转速非常快。高压涡轮轴穿过环形焚烧室中心,把高压涡轮的动力传递给紧靠在焚烧室进口前的高压压气机。因而,高压压气机与高压涡轮转速相同,而且都是很高的转速。因为驱动高压涡轮而耗费掉一部分能量的燃气持续向发起机后方运动,驱动低压涡轮。因为在驱动高压涡轮时现已耗费部分能量,低压涡轮的转速也就比高压涡轮低。低压涡轮轴比高压涡轮轴更长、更细,套在高压涡轮轴内部(图6),把低压涡轮的动力传递给电扇和低压压气机。因而,二级传动体系中,电扇、低压压气机和低压涡轮的转速是相同的,都比较慢。两层嵌套的涡轮轴之间当然有轴承这样的支撑结构,以及减缓轴承磨损的光滑组织。图6中,相同色彩的部分为同一根涡轮轴上的叶轮。如下图所示,一切色彩相同的叶轮都串联在同一根轴上,转速共同。

  此外,还有把涡轮依照离焚烧室出口由近到远的次第顺次分为高压、中压和低压涡轮的三级传动。其间转速最慢的低压涡轮经过嵌套在最内部的第三根涡轮轴独自驱动电扇,这样电扇和低压压气机就可以作业在不同的转速下了。

  涡扇发起机的涡轮轴传递的动力除用来驱动电扇和压气机以外,还有一部分经过径向的传动组织传到发起机机匣外部,用来为一些附件供给动力,比方光滑体系、供油体系等(下图中红圈所示部分)。这和内燃机的凸轮顶杆组织是相同的,内燃机必须在适宜的机遇开闭气缸顶部的排气阀和喷油阀,而开闭的动力自身就来自内燃机的,只需凸轮视点装置适宜,就会在恰当的机遇顶升顶杆,对相应阀门做开闭操作。





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