飞机的心脏,航空发动机工作原理大揭秘

古时候,人们特别盼望着能够实现飞天,我国第一个飞天的人明朝士大夫万户在当时利用47个自制的火箭绑在椅子上,自己坐在椅子上,双手举着风筝。想利用火箭的推力,加上风筝的力量,不幸的是当时火箭爆炸了,万户也为此付出了生命。

虽然故事的结局是悲剧,但这也证明了我们的先人先要登天的决心。不过在现在,我们可以买一张飞机票就可以看到天上的奇妙景色了。不知道大家是否和我一样好奇,飞机里的发动机究竟是如何工作帮助飞机飞上九重天呢?接下来我就给大家介绍一下航天发动机。

航天发动机主要有三种类型:活塞式航空发动机,燃气涡轮发动机以及冲压发动机。

活塞式发动机

主要由曲轴、连杆、活塞、汽缸、分气机构和机匣等部件组成。发动机前部有减速器,以降低输出轴的转速。大多数发动机在机匣后部装有增压器以提高发

动机高空性能。活塞式航空发动机的性能通常用转速特性、螺旋桨特性和高度特性表示。

活塞式航空发动机是一种 4冲程、电嘴点火的汽油发动机。曲轴转动2圈,每个活塞在汽缸内往复运动4次,每次称1个冲程。4个冲程依次为吸气、压缩、膨胀和排气,合起来形成1个定容加热循环。发动机热效率与压缩比和燃烧后工质(工作介质)温度有关。过大的压缩比会使工质的压力和温度过高,燃油可能在未被电嘴点火前就自动燃烧并形成爆震波,引起汽缸局部过热和增大零件负荷,降低发动机的可靠性。

提高汽油的辛烷值(见航空燃油)是提高压缩比、防止爆震的有效措施。航空汽油的辛烷值一般在 100以上。每个汽缸能发出的功率受到工质温度的限制。每升活塞排量发出的功率称为升功率,一般为22~44千瓦(30~60马力),个别发动机可达59千瓦(80马力),活塞排量是指活塞在汽缸内自最下端移至最上端所扫过的容积。

涡轮喷气发动机

主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压气机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气,然后进入涡轮段推动涡轮,将燃气的焓和动能转换成机械能输出,最后的废气由尾喷管排出。而由涡轮输出的机械能中,一部分会用来驱动压气机,另一部分则经由传动轴输出(涡轮轴发动机),用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统或飞行器螺旋桨等。压气机的功用是对气流做功,以提高气流的压力。

一般燃气轮机的压气机通常有轴流式和离心式两种。轴流式压缩机会有许多的叶片,形状类似螺旋桨叶片,但是分为“静子”与“转子”两种。转子就像螺旋桨一般地旋转,在旋转的过程中将对气流加功,增大气流总压P*和总温T*,这时气流的压力和温度就会提高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向,以正确的角度进入下一组转子,减小气流绝对速度C1。

通常是一组转子和一组静子交互配置,而一组转子和静子就称为一级。离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推向机匣,而产生加压的效果。一级的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比,对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择,但是由于气流是向外辐射,必须以大幅弯曲的通道折回内部,故能量的耗损也较大,效率低。

燃烧室由外壳(套)、火焰筒、喷(油)嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股:一股(约占1/4~2/5)进入火焰筒前部,与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气,经点火装置点火后燃烧。另一股(占3/4~3/5)从火焰筒与外套间流过,对火焰筒壁面进行冷却,然后进入火焰筒与高温燃气掺混,使燃气温度降低,达到涡轮所要求的温度。

涡轮电脑模拟燃气轮机通常使用轴流式涡轮,构造上与轴流式压缩机相似。与压缩机不同的是,涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能,因此叶片的形状与压缩机会稍有不同,重视的是气流通过时能产生的作用力,与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击,为了提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率,涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。

叶片结构上也常使用一些特殊设计,例如常见的作法是将叶片设计为中空,然后将冷空气或冷却液导入内部,在叶片内部流动时可以产生冷却效果,还有在表面设计许多小孔喷出冷空气,随着空气流动而覆盖整个叶片,阻隔以避免高温空气直接冲击叶片,以达到保护的效果。

冲压发动机

是一种利用迎面气流进入发动机后减速,使空气提高静压的一种空气喷气发动机。冲压发动机压缩空气的方法,是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速,将动能转变成压力能(例如进气速度为3倍音速时,理论上可使空气压力提高37倍)。

冲压发动机的工作时,高速气流迎面向发动机吹来,在进气道内扩张减速,气压和温度升高后进入燃烧室与燃油(一般为煤油)混合燃烧,将温度提高到2000一2200℃甚至更高,高温燃气随后经推进喷管膨胀加速,由喷口高速排出而产生推力。冲压发动机的推力与进气速度有关,如进气速度为3倍音速时,在地面产生的静推力可以超过200千牛。力的产生与涡轮喷气发动机一样,是由于高速排气所产生的反作用力。

其情况是:当飞机运动时,空气流以高速冲进发动机中,于是空气速度就骤降,压力便上升。当压力刚刚达到最大值时,就由喷油嘴喷射燃料(煤油),开始燃烧,使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大,然后这种炙热的空气与燃烧产物相混合的气体,便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。喷气流的速度比进口的空气速度大得多,因而就造成反作用推力,使得飞机运动。气流喷出速度愈大,推力也就愈大。

世界三大航空发动机生产商分别是美国通用电气、英国罗尔斯·罗伊斯和美国普拉特·惠特尼。航空发动机行业具有高技术,高投入、高风险、高壁垒的特性。研发普通单台发动机的投入在10-30亿美元,时间周期10-15年。从60年代开始,全球主要制造商和供应商不超过25家,全球航空发动机制造主要集中在欧美发达国家的公司,美国的通用和普惠、法国的斯耐克玛和英国的罗罗是目前全球最大四家航空发动机巨头。


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