喷气推进的原理大家并不陌生,根据牛顿第三定律,作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。喷气发动机在工作时,从前端吸人大量的空气,燃烧后高速喷出。在此过程中,发动机向气体施加力,使之向后加速,气体也给发动机一个反作用力,推动飞机前进。
早在1913年,法国工程师雷恩·洛兰就获得了一项喷气发动机的专利,但这是一种冲压式喷气发动机,在当时的低速下根本无法工作,而且也缺乏所需的高温耐热材料。1930年,弗兰克·惠特尔取得了燃气涡轮发动机的第一个专利,但直到11年后,他的发动机才完成其首次飞行,惠特尔的这种发动机为现代涡轮喷气发动机奠定了基础。
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,战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种,必须遵循热机的做功原则:在高压下输入能量,低压下释放能量。因此,从产生输出能量的原理上讲,喷气式发动机和活塞式发动机是相同的,都需要有进气、加压、燃烧和排气这4个阶段。不同的是,在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的,但在喷气发动机中则是连续进行的,气体依次流经喷气发动机的各个部分,对应着活塞式发动机的四个工作位置。
空气首先进入的是发动机的进气道。
进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的。空气流过压气机时,压气机工作叶片对气流做功,使气流的压力和温度升高。在亚音速时,压气机是气流增压的主要部件。
压气机后面是燃烧室,向高压气体喷油燃烧,加入能量,得到高温高压的高能燃气。
从燃烧室流出的高温高压燃气,流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中随着燃气膨胀带动压气机旋转转化为机械能。在涡轮喷气发动机中,气流在涡轮中膨胀所做的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后,涡轮前的燃气能量大大增加,因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比,涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多,发动机的推力就是来自这一部分燃气的能量。
从涡轮中流出的高温高压燃气,在尾喷管中继续膨胀,以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多,使发动机获得了反作用的推力。
一般来讲,当气流从燃烧室出来时的温度越高,输入的能量就越大,发动机的推力也就越大。但是,由于涡轮材料等的限制,目前只能达到1800K。现代战斗机有时需要短时间增加推力,就在涡轮后再加上一个加力燃烧室来喷入燃油,让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧,由于加力燃烧室内无旋转部件,温度可达2000K,可使发动机的推力增加50%(图5.3.图5.4)。其缺点就是油耗急剧加大,同时过高的温度也影响发动机的寿命。因此发动机开加力一般是有时限的,低空不能超过十几秒,多用于起飞或战斗;在高空则可开较长的时间。
喷气发动机尽管在低速时油耗要大干活塞式发动机,但其优异的高速性能使其迅速取代了后者,成为航空发动机的主流。
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