渦輪噴氣發動機
http://m.dcyhziu.cn 2007/6/29 源自:中華職工學習網 【字體：
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在第二次世界大戰以前，所有的飛機都采用活塞式發動機作為飛機的動力，這種發動機本身并不能產生向前的動力，而是需要驅動一副螺旋槳，使螺旋槳在空氣中旋轉，以此推動飛機前進。這種活塞式發動機＋螺旋槳的組合一直是飛機固定的推進模式，很少有人提出過質疑。
到了三十年代末，尤其是在二戰中，由于戰爭的需要，飛機的性能得到了迅猛的發展，飛行速度達到700－800公里每小時，高度達到了10000米以上，但人們突然發現，螺旋槳飛機似乎達到了極限，盡管工程師們將發動機的功率越提越高，從1000千瓦，到2000千瓦甚至3000千瓦，但飛機的速度仍沒有明顯的提高，發動機明顯感到“有勁使不上”。
問題就出在螺旋槳上，當飛機的速度達到800公里每小時，由于螺旋槳始終在高速旋轉，槳尖部分實際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時，由于螺旋槳的迎風面積較大，帶來的阻力也較大，而且，隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄，活塞式發動機的功率也會急劇下降。這幾個因素合在一起，決定了活塞式發動機＋螺旋槳的推進模式已經走到了盡頭，要想進一步提高飛行性能，必須采用全新的推進模式，噴氣發動機應運而生。
噴氣推進的原理大家并不陌生，根據牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴氣發動機在工作時，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，在此過程中，發動機向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發動機一個反作用力，推動飛機前進。事實上，這一原理很早就被應用于實踐中，我們玩過的爆竹，就是依靠尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。
早在1913年，法國工程師雷恩．洛蘭就獲得了一項噴氣發動機的專利，但這是一種沖壓式噴氣發動機，在當時的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。1930年，弗蘭克．惠特爾取得了他使用燃氣渦輪發動機的第一個專利，但直到11年后，他的發動機在完成其首次飛行，惠特爾的這種發動機形成了現代渦輪噴氣發動機的基礎。
現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發動機仍屬于熱機的一種，就必須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產生輸出能量的原理上講，噴氣式發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這4個階段是分時依次進行的，但在噴氣發動機中則是連續進行的，氣體依次流經噴氣發動機的各個部分，就對應著活塞式發動機的四個工作位置。
空氣首先進入的是發動機的進氣道，當飛機飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發動機，由于飛機飛行的速度是變化的，而壓氣機適應的來流速度是有一定的范圍的，因而進氣道的功能就是通過可調管道，將來流調整為合適的速度。在超音速飛行時，在進氣道前和進氣道內氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機中的壓力提高倍數，因而產生了單靠速度沖壓，不需壓氣機的沖壓噴氣發動機。
進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機時，壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時，壓氣機是氣流增壓的主要部件。
從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，帶動壓氣機旋轉，在渦輪噴氣發動機中，氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經過燃燒后，渦輪前的燃氣能量大大增加，因而在渦輪中的膨脹比遠小于壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多，發動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。
從渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多，使發動機獲得了反作用的推力。
一般來講，當氣流從燃燒室出來時的溫度越高，輸入的能量就越大，發動機的推力也就越大。但是，由于渦輪材料等的限制，目前只能達到1650K左右，現代戰斗機有時需要短時間增加推力，就在渦輪后再加上一個加力燃燒室噴入燃油，讓未充分燃燒的燃氣與噴入的燃油混合再次燃燒，由于加力燃燒室內無旋轉部件，溫度可達2000K，可使發動機的推力增加至1.5倍左右。其缺點就是油耗急劇加大，同時過高的溫度也影響發動機的壽命，因此發動機開加力一般是有時限的，低空不過十幾秒，多用于起飛或戰斗時，在高空則可開較長的時間。
隨著航空燃氣渦輪技術的進步，人們在渦輪噴氣發動機的基礎上，又發展了多種噴氣發動機，如根據增壓技術的不同，有沖壓發動機和脈動發動機；根據能量輸出的不同，有渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和螺槳風扇發動機等。
噴氣發動機盡管在低速時油耗要大于活塞式發動機，但其優異的高速性能使其迅速取代了后者，成為航空發動機的主流。
到了三十年代末，尤其是在二戰中，由于戰爭的需要，飛機的性能得到了迅猛的發展，飛行速度達到700－800公里每小時，高度達到了10000米以上，但人們突然發現，螺旋槳飛機似乎達到了極限，盡管工程師們將發動機的功率越提越高，從1000千瓦，到2000千瓦甚至3000千瓦，但飛機的速度仍沒有明顯的提高，發動機明顯感到“有勁使不上”。
問題就出在螺旋槳上，當飛機的速度達到800公里每小時，由于螺旋槳始終在高速旋轉，槳尖部分實際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時，由于螺旋槳的迎風面積較大，帶來的阻力也較大，而且，隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄，活塞式發動機的功率也會急劇下降。這幾個因素合在一起，決定了活塞式發動機＋螺旋槳的推進模式已經走到了盡頭，要想進一步提高飛行性能，必須采用全新的推進模式，噴氣發動機應運而生。
噴氣推進的原理大家并不陌生，根據牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴氣發動機在工作時，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，在此過程中，發動機向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發動機一個反作用力，推動飛機前進。事實上，這一原理很早就被應用于實踐中，我們玩過的爆竹，就是依靠尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。
早在1913年，法國工程師雷恩．洛蘭就獲得了一項噴氣發動機的專利，但這是一種沖壓式噴氣發動機，在當時的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。1930年，弗蘭克．惠特爾取得了他使用燃氣渦輪發動機的第一個專利，但直到11年后，他的發動機在完成其首次飛行，惠特爾的這種發動機形成了現代渦輪噴氣發動機的基礎。
現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發動機仍屬于熱機的一種，就必須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產生輸出能量的原理上講，噴氣式發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這4個階段是分時依次進行的，但在噴氣發動機中則是連續進行的，氣體依次流經噴氣發動機的各個部分，就對應著活塞式發動機的四個工作位置。
空氣首先進入的是發動機的進氣道，當飛機飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發動機，由于飛機飛行的速度是變化的，而壓氣機適應的來流速度是有一定的范圍的，因而進氣道的功能就是通過可調管道，將來流調整為合適的速度。在超音速飛行時，在進氣道前和進氣道內氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機中的壓力提高倍數，因而產生了單靠速度沖壓，不需壓氣機的沖壓噴氣發動機。
進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機時，壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時，壓氣機是氣流增壓的主要部件。
從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，帶動壓氣機旋轉，在渦輪噴氣發動機中，氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經過燃燒后，渦輪前的燃氣能量大大增加，因而在渦輪中的膨脹比遠小于壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多，發動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。
從渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多，使發動機獲得了反作用的推力。
一般來講，當氣流從燃燒室出來時的溫度越高，輸入的能量就越大，發動機的推力也就越大。但是，由于渦輪材料等的限制，目前只能達到1650K左右，現代戰斗機有時需要短時間增加推力，就在渦輪后再加上一個加力燃燒室噴入燃油，讓未充分燃燒的燃氣與噴入的燃油混合再次燃燒，由于加力燃燒室內無旋轉部件，溫度可達2000K，可使發動機的推力增加至1.5倍左右。其缺點就是油耗急劇加大，同時過高的溫度也影響發動機的壽命，因此發動機開加力一般是有時限的，低空不過十幾秒，多用于起飛或戰斗時，在高空則可開較長的時間。
隨著航空燃氣渦輪技術的進步，人們在渦輪噴氣發動機的基礎上，又發展了多種噴氣發動機，如根據增壓技術的不同，有沖壓發動機和脈動發動機；根據能量輸出的不同，有渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和螺槳風扇發動機等。
噴氣發動機盡管在低速時油耗要大于活塞式發動機，但其優異的高速性能使其迅速取代了后者，成為航空發動機的主流。
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