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第140章 渦輪噴氣式

  • 我是魔王別惹我
  • 云陌JUN
  • 2000字
  • 2021-11-18 13:54:25

兩側(cè)進(jìn)氣或機(jī)腹進(jìn)氣的飛機(jī)由于進(jìn)氣道緊貼機(jī)身,會(huì)受到機(jī)身附面層的影響,還會(huì)附帶一個(gè)附面層調(diào)節(jié)裝置。

所謂附面層是指緊貼機(jī)身表面流動(dòng)的一層空氣,其流速遠(yuǎn)低于周圍空氣,但其靜壓比周圍高,形成壓力梯度。因?yàn)槠淠芰康停贿m于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)而需要排除。當(dāng)飛機(jī)有一定迎角時(shí)由于壓力梯度的變化,在壓力梯度加大的部分(如背風(fēng)面)將發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象,即本來(lái)緊貼機(jī)身的附面層在某一點(diǎn)突然脫離,形成湍流。

湍流是相對(duì)層流來(lái)說(shuō)的,簡(jiǎn)單說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)不規(guī)則的流體,嚴(yán)格的說(shuō)所有的流動(dòng)都是湍流。湍流的發(fā)生機(jī)理、過(guò)程的模型化都不太清楚。但是不是說(shuō)湍流不好,在發(fā)動(dòng)機(jī)中很多地方例如在燃燒過(guò)程就要充分利用湍流。

壓氣機(jī)由定子頁(yè)片與轉(zhuǎn)子頁(yè)片交錯(cuò)組成,一對(duì)定子頁(yè)片與轉(zhuǎn)子頁(yè)片稱為一級(jí),定子固定在發(fā)動(dòng)機(jī)框架上,轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與渦輪相連。

現(xiàn)役渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一般為8到12級(jí)壓氣機(jī)。級(jí)數(shù)越多越往后壓力越大,當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)高G機(jī)動(dòng)時(shí),流入壓氣機(jī)前級(jí)的空氣壓力驟降,而后級(jí)壓力很高,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)后級(jí)高壓空氣反向膨脹,發(fā)動(dòng)機(jī)工作極不穩(wěn)定的狀況,工程上稱為“喘振”,這是發(fā)動(dòng)機(jī)最致命的事故,很有可能造成停車甚至結(jié)構(gòu)毀壞。

經(jīng)驗(yàn)表明喘振多發(fā)生在壓氣機(jī)的5,6級(jí)間,在次區(qū)間設(shè)置放氣環(huán),以使壓力出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)泄壓可避免喘振的發(fā)生。

或者將轉(zhuǎn)子軸做成兩層同心空筒,分別連接前級(jí)低壓壓氣機(jī)與渦輪,后級(jí)高壓壓氣機(jī)與另一組渦輪,兩套轉(zhuǎn)子組互相獨(dú)立,在壓力異常時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,也可避免喘振。

空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與煤油混合燃燒,膨脹做功;緊接著流過(guò)渦輪,推動(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)闇u輪與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連在一根軸上,所以壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的。

最后高溫高速燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管噴出,以反作用力提供動(dòng)力。

燃燒室最初形式是幾個(gè)圍繞轉(zhuǎn)子軸環(huán)狀并列的圓筒小燃燒室,每個(gè)筒都不是密封的,而是在適當(dāng)?shù)牡胤介_(kāi)有孔,所以整個(gè)燃燒室是連通的,后來(lái)發(fā)展到環(huán)形燃燒室,結(jié)構(gòu)緊湊,但是整個(gè)流體環(huán)境不如筒狀燃燒室,還有結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)的組合型燃燒室。

渦輪始終工作在極端條件下,對(duì)其材料、制造工藝有著極其苛刻的要求。多采用粉末冶金的空心頁(yè)片,整體鑄造,即所有頁(yè)片與頁(yè)盤一次鑄造成型。

相比起早期每個(gè)頁(yè)片與頁(yè)盤都分體鑄造,再用榫接起來(lái),省去了大量接頭的質(zhì)量。

制造材料多為耐高溫合金材料,中空頁(yè)片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰(zhàn)機(jī)研制的新型發(fā)動(dòng)機(jī)將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的頁(yè)片。

這些手段都是為了提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一:渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率,高功率。

噴管(稱噴嘴)的形狀結(jié)構(gòu)決定了最終排除的氣流的狀態(tài),早期的低速發(fā)動(dòng)機(jī)采用單純收斂型噴管,以達(dá)到增速的目的。

根據(jù)牛頓第三定律,燃?xì)鈬姵鏊俣仍酱螅w機(jī)將獲得越大的反作用力。但是這種方式增速是有限的,因?yàn)樽罱K氣流速度會(huì)達(dá)到音速,這時(shí)出現(xiàn)激波阻止氣體速度的增加。

而采用收斂-擴(kuò)張噴管(也稱為拉瓦爾噴管)能獲得超音速的噴氣流。飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性來(lái)主要源于翼面提供的空氣動(dòng)力,而當(dāng)機(jī)動(dòng)性要求很高時(shí)可直接利用噴氣流的推力。

在噴管口加裝燃?xì)舛婷婊蛑苯硬捎每善D(zhuǎn)噴管(也稱為推力矢量噴管,或向量推力噴嘴)是歷史上兩種方案,其中后者已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

著名的俄羅斯Su-30、Su-37戰(zhàn)機(jī)的高超機(jī)動(dòng)性就得益于留里卡設(shè)計(jì)局的AL-31推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)舛婷娴拇硎敲绹?guó)的X-31技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。

在經(jīng)過(guò)渦輪后的高溫燃?xì)庵腥匀缓胁糠治磥?lái)得及消耗的氧氣,在這樣的燃?xì)庵欣^續(xù)注入煤油仍然能夠燃燒,產(chǎn)生額外的推力。

所以某些高性能戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪后增加了一個(gè)加力燃燒室(后燃器),以達(dá)到在短時(shí)間里大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的目的。

一般而言加力燃燒能在短時(shí)間里將最大推力提高50%,但是油耗驚人,一般僅用于起飛或應(yīng)付激烈的空中纏斗,不可能用于長(zhǎng)時(shí)間的超音速巡航。

在第二次世界大戰(zhàn)以前,所有的飛機(jī)都采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力,這種發(fā)動(dòng)機(jī)本身并不能產(chǎn)生向前的動(dòng)力,而是需要驅(qū)動(dòng)一副螺旋槳,使螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn),以此推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。

這種活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加螺旋槳的組合一直是飛機(jī)固定的推進(jìn)模式,很少有人提出過(guò)質(zhì)疑。

到了三十年代末,尤其是在二戰(zhàn)中,由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,飛機(jī)的性能得到了迅猛的發(fā)展,飛行速度達(dá)到700到800公里每小時(shí),高度達(dá)到了10000米以上,但人們突然發(fā)現(xiàn),螺旋槳飛機(jī)似乎達(dá)到了極限,盡管工程師們將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越提越高,從1000千瓦,到2000千瓦甚至3000千瓦,但飛機(jī)的速度仍沒(méi)有明顯的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)明顯感到“有勁使不上”。

問(wèn)題就出在螺旋槳上,當(dāng)飛機(jī)的速度達(dá)到800公里每小時(shí),由于螺旋槳始終在高速旋轉(zhuǎn),槳尖的部分實(shí)際上已接近了音速,這種跨音速的流場(chǎng)的直接后果就是螺旋槳的效率急劇的下降,推力的下降,同時(shí),由于螺旋槳的迎風(fēng)面積較大,帶來(lái)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(fā)動(dòng)機(jī)的功率也會(huì)急劇下降。

這幾個(gè)因素合在一起,決定了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加螺旋槳的推進(jìn)模式已經(jīng)走到了盡頭,要想進(jìn)一步提高飛行性能,必須采用全新的推進(jìn)模式,噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

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