涡轮喷气发动机的结构

2020-10-22 军事 136阅读

轴流式涡喷发动机的主要结构如图,空气首先进入进气道,因为飞机飞行的状态是变化的,进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构:压气机(compressor,或压缩机)。进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。在超音速飞行时,机头与进气道口都会产生激波(shockwave,又称震波),空气经过激波压力会升高,因此进气道能起到一定的预压缩作用,但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀,甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥,根据空速的情况调节激波的位置。
两侧进气或机腹进气的飞机由于进气道紧贴机身,会受到机身附面层(boundary layer,或边界层)的影响,还会附带一个附面层调节装置。所谓附面层是指紧贴机身表面流动的一层空气,其流速远低于周围空气,但其静压比周围高,形成压力梯度。因为其能量低,不适于进入发动机而需要排除。当飞机有一定迎角(angle of attack,AOA,或称攻角)时由于压力梯度的变化,在压力梯度加大的部分(如背风面)将发生附面层分离的现象,即本来紧贴机身的附面层在某一点突然脱离,形成湍流。湍流是相对层流来说的,简单说就是运动不规则的流体,严格的说所有的流动都是湍流。湍流的发生机理、过程的模型化都不太清楚。但是不是说湍流不好,在发动机中很多地方例如在燃烧过程就要充分利用湍流。 空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧,膨胀做功;紧接着流过涡轮,推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上,所以压气机与涡轮的转速是一样的。最后高温高速燃气经过喷管喷出,以反作用力提供动力。燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室,每个筒都不是密封的,而是在适当的地方开有孔,所以整个燃烧室是连通的,后来发展到环形燃烧室,结构紧凑,但是整个流体环境不如筒状燃烧室,还有结合二者优点的组合型燃烧室。
涡轮始终工作在极端条件下,对其材料、制造工艺有着极其苛刻的要求。多采用粉末冶金的空心页片,整体铸造,即所有页片与页盘一次铸造成型。相比起早期每个页片与页盘都分体铸造,再用榫接起来,省去了大量接头的质量。制造材料多为耐高温合金材料,中空页片可以通以冷空气以降温。而为第四代战机研制的新型发动机将配备高温性能更加出众的陶瓷粉末冶金的页片。这些手段都是为了提高涡喷发动机最重要的参数之一:涡轮前温度。高涡前温度意味着高效率,高功率。 在经过涡轮后的高温燃气中仍然含有部分未来得及消耗的氧气,在这样的燃气中继续注入煤油仍然能够燃烧,产生额外的推力。所以某些高性能战机的发动机在涡轮后增加了一个加力燃烧室(afterburner,或后燃器),以达到在短时间里大幅度提高发动机推力的目的。一般而言加力燃烧能在短时间里将最大推力提高50%,但是油耗惊人,一般仅用于起飞或应付激烈的空中缠斗,不可能用于长时间的超音速巡航。

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