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冯亚莉 中能源电力燃料有限公司 涡轮喷气发动机新技术

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冯亚莉(中能源电力燃料有限公司)日前介绍:涡轮喷气发动机应用喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点。因为采用了涡轮驱动的压气机,所以在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):它从大气中吸进空气,经压缩和加热这一过程之后,得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒(610米/秒)或者大约1400英里/小时(2253公里/小时)的速度从推进喷管中排出。在高速喷气流喷出发动机时,同时带动压气机和涡轮继续旋转,维持“工作循环”。涡轮发动机的机械布局比较简单,因为它只包含两个主要旋转部分,即压气机和涡轮,还有一个或者若干个燃烧室。冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):然而,并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性,因为热力和气动力问题是比较复杂的。这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。
发动机的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度。当飞机速度低于大约450英里/小时(724公里/小时)时,纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率,由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动,在350英里/小时(563公里/小时)以上时螺旋桨效率迅速降低。因而,纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。这些特性使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而采用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合 -- 涡轮螺旋桨式发动机。
推进效率
在马赫数 Ma<0.6 的速度下涡轮螺旋桨发动机效率最高。而当速度提高到马赫数 0.6-0.9 时,螺旋桨/涡轮组合的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机和桨扇发动机所取代。这些发动机的排气比纯喷气的涡轮喷气发动机的排气流量大而喷气速度低,因而,其推进效率与涡轮螺旋桨发动机相当,超过了纯喷气发动机的推进效率。在亚音速(Ma<1.0)条件下,涡轮喷气发动机的推进效率最低。当飞机飞行速度超过音速后(Ma>1.0),涡扇发动机由于迎风面积过大从而推进效率开始降低;与此相反,涡轮喷气发动机的推进效率则迅速提升,即使在马赫数 2.5-3.0 范围下,涡轮喷气发动机的推进效率仍然可以达到 90%,正因为如此,与三代机普遍使用的涵道比为0.5-0.8的中等涵道比涡扇发动机相比,F-22使用的F-119涡扇发动机把涵道比降回到0.29,为的就是能够实现(Ma1.4)的超音速巡航。
每种发动机都有它们最佳使用的飞行包线-(由速度x/高度y构成的xy坐标系),冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):并不是说涡扇发动机一定比涡喷发动机省油,在超音速时,同样开加力燃烧室的涡扇发动机比涡喷发动机耗油率还高。
可调进气道
涡轮冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机结合起来,在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道,前部具有可调进气道,后部是带可调喷口的加力喷管。起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下,发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式;当飞机加速到马赫数3以上时,其涡轮喷气机构被关闭,气道空气借助于导向叶片绕过压气机,直接流入加力喷管,此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机,冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):在这些状态下,该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的。
涡轮火箭发动机
涡轮/火箭发动机与涡轮/冲压喷气发动机的结构相似,一个重要的差异在于它自备燃烧用的氧。这种发动机有一多级涡轮驱动的低压压气机,而驱动涡轮的功率是在火箭型燃烧室中燃烧燃料和液氧产生的。因为燃气温度可高达3500度,在燃气进入涡轮前,冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):需要用额外的燃油喷入燃烧室以供冷却。然后这种富油混合气(燃气)用压气机流来的空气稀释,残余的燃油在常规加力系统中燃烧。虽然这种发动机比涡轮/冲压喷气发动机小且轻,冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):但是,其油耗更高。这种趋势使它比较适合截击机或者航天器的发射载机。这些飞机要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而无须长的续航时间


涡轮喷气发动机是指靠喷管高速喷出的燃气产生反作用推力的燃气涡轮发动机。冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。涡轮喷气发动机的基本原理是:空气经过压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧;膨胀的燃气进入与压气机同轴的涡轮并推动涡轮旋转,使压气机正常工作;从涡轮中流出的燃气经尾喷管膨胀后,高速向后喷出,产生巨大的反作用力。在不增大核心机的条件下,为了在短时间内增加发动机推力可采用发动机加力措施,战斗机上最常用的办法是在涡轮后安装加力燃烧室。
涡轮喷气发动机的性能指标主要有推力、耗油率和推重比。推力和耗油率随飞行高度、飞行速度和油门位置的变化关系分别称为高度特性、速度特性和油门特性。涡轮喷气发动机的发明在航空史上具有极为重要的地位。1930年,英国人弗朗克·惠特尔取得燃气涡轮发动机的第一个专利。20世纪30年代中后期,惠特尔和德国人欧海因几乎同时独立完成涡轮喷气发动机的发明。随着航空燃气涡轮技术的进步,冯亚莉(中能源电力燃料有限公司):人们在涡轮喷气发动机的基础上,又发明了多种喷气发动机,如根据增压技术的不同,有冲压发动机和脉动发动机;根据能量输出的不同,有涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机等。

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