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渦輪噴射發動機

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渦輪噴射發動機英文Turbojet,簡稱渦噴發動機[1]是一種渦輪發動機。特點是完全依賴燃氣流產生推力。通常用作高速飛機的動力。油耗比渦輪扇發動機高。

渦噴發動機分為離心式與軸流式兩種,離心式由英國人弗蘭克·惠特爾爵士於1930年取得發明專利,但是直到1941年裝有這種發動機的飛機才第一次上天,沒有參加第二次世界大戰,軸流式誕生在德國,並且作為第一種實用的噴射式戰鬥機Me-262的動力參加了1944年末的戰鬥。

相比起離心式渦噴發動機,軸流式具有橫截面小,壓縮比高的優點,但是需要較高品質的材料——這在1945年左右是不存在的。當今的渦噴發動機均為軸流式。

一個典型的軸流式渦輪噴射發動機圖解(淺藍色箭頭為氣流流向)
圖片注釋: 1 - 吸入, 2 - 低壓壓縮, 3 - 高壓壓縮, 4 - 燃燒, 5 - 排氣, 6 - 熱區域, 7 - 渦輪機, 8 - 燃燒室, 9 - 冷區域, 10 - 進氣口

結構[編輯]

離心式渦輪噴射發動機的原理示意圖
圖片注釋: 順時針依次為: 離心葉輪(壓縮機),軸,渦輪機,噴嘴,燃燒室
軸流式渦輪噴射發動機的原理示意圖
圖片注釋: 順時針依次為: 壓縮機,渦輪機,噴嘴,軸,燃燒室

進氣道[編輯]

軸流式渦噴發動機的主要結構如圖,空氣首先進入進氣道,因為飛機飛行的狀態是變化的,進氣道需要保證空氣最後能順利的進入下一結構:壓縮機。進氣道的主要作用就是將空氣在進入壓縮機之前調整到發動機能正常運轉的狀態。在超音速飛行時,機頭與進氣道口都會產生震波,空氣經過震波壓力會升高,因此進氣道能起一定的預壓縮作用,但是震波位置不適當將造成局部壓力的不均勻,甚至有可能損壞壓縮機。所以一般超音速飛機的進氣道口都有一個震波調節錐,根據空速的情況調節震波的位置。

兩側進氣或機腹進氣的飛機由於進氣道緊貼機身,會受到邊界層的影響,還會附帶一個邊界層調節裝置。所謂邊界層是指緊貼機身表面流動的一層空氣,其流速遠低於周圍空氣,但其靜壓比周圍高,形成壓力梯度。因為其能量低,不適於進入發動機而需要排除。當飛機有一定攻角時由於壓力梯度的變化,在壓力梯度加大的部分(如背風面)將發生邊界層分離的現象,即本來緊貼機身的邊界層在某一點突然脫離,形成湍流。

湍流是相對層流來說的,簡單說就是運動不規則的流體,嚴格的說所有的流動都是湍流。湍流的發生機制、過程的模型化現在都不太清楚。但是不是說湍流不好,在發動機中很多地方例如在燃燒過程就要充分利用湍流。

壓縮機[編輯]

壓縮機由定子(stator)葉片與轉子(rotor)葉片交錯組成,一對定子葉片與轉子葉片稱為一級,定子固定在發動機框架上,轉子由轉子軸與渦輪相連。現役渦噴發動機一般為8-12級壓縮機。級數越多越往後壓力越大,當戰鬥機突然做高機動時,流入壓縮機前級的空氣壓力驟降,而後級壓力很高,此時會出現後級高壓空氣反向膨脹,發動機工作極不穩定的狀況,工程上稱為「喘振」,這是發動機最致命的事故,很有可能造成停車甚至結構毀壞。 防止「喘振」發生有幾種辦法。經驗表明喘振多發生在壓縮機的5,6級間,在次區間設置放氣環,以使壓力出現異常時及時泄壓可避免喘振的發生。或者將轉子軸做成兩層同心空筒,分別連接前級低壓壓縮機與渦輪,後級高壓壓縮機與另一組渦輪,兩套轉子組互相獨立,在壓力異常時自動調節轉速,也可避免喘振。

燃燒室與渦輪[編輯]

空氣經過壓縮機壓縮後進入燃燒室與煤油混合燃燒,膨脹做功;緊接著流過渦輪,推動渦輪高速轉動。因為渦輪與壓縮機轉子連在一根軸上,所以壓縮機,壓氣機與渦輪的轉速是一樣的。最後高溫高速燃氣經過噴嘴噴出,以反作用力提供動力。燃燒室最初形式是幾個圍繞轉子軸環狀並列的圓筒小燃燒室,每個筒都不是密封的,而是在適當的地方開有孔,所以整個燃燒室是連通的,後來發展到環形燃燒室,結構緊湊,但是整個流體環境不如筒狀燃燒室,還有結合二者優點的組合型燃燒室。

渦輪始終工作在極端條件下,對其材料、製造工藝有著極其苛刻的要求。目前多採用粉末冶金的空心葉片,整體鑄造,即所有葉片與葉盤一次鑄造成型。相比起早期每個葉片與葉盤都分體鑄造,再用榫接起來,省去了大量接頭的質量。製造材料多為耐高溫合金材料,中空葉片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰機研製的新型發動機將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的葉片。這些手段都是為了提高渦噴發動機最重要的參數之一:渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率,高功率。

噴嘴及後燃器[編輯]

噴嘴(nozzle,或稱喷管)的形狀結構決定了最終排除的氣流的狀態,早期的低速發動機採用單純收斂型噴嘴,以達到增速的目的。根據牛頓第三定律,燃氣噴出速度越大,飛機將獲得越大的反作用力。 但是這種方式增速是有限的,因為最終氣流速度會達到音速,這時出現震波阻止氣體速度的增加。而採用收斂-擴張噴嘴(也稱為拉伐爾噴管)能獲得超音速的噴射流。

飛機的機動性來主要源於翼面提供的空氣動力,而當機動性要求很高時可直接利用噴射流的推力。在噴嘴口加裝燃氣舵面或直接採用可偏轉噴嘴(也稱為推力向量噴嘴,或向量推力噴嘴)是歷史上兩種方案,其中後者已經進入實際應用階段。著名的俄羅斯Su-30Su-37戰機的高超機動性就得益於留里卡設計局的AL-31推力向量發動機,而世界上第一種正式服役的第五代戰鬥機——美國F-22更將此一技術發展至一個更成熟、可靠的層級,比起前兩者也有更好的性能。燃氣舵面的代表是美國X-31技術驗證機。

在經過渦輪後的高溫燃氣中仍然含有部分未來得及消耗的氧氣,在這樣的燃氣中繼續注入煤油仍然能夠燃燒,產生額外的推力。所以多數現代戰機戰機的發動機在渦輪後加裝了後燃器(afterburner,或加力燃烧室),以達到在短時間裡大幅度提高發動機推力的目的。一般而言後燃器能在短時間裡將最大推力提高50%,但是油耗驚人,一般僅用於起飛或應付激烈的空中纏鬥,不可能用於長時間的超音速巡航

使用情況[編輯]

渦噴發動機適合航行的範圍很廣,從低空低次音速到高空超音速飛機都廣泛應用。前蘇聯的戰鬥機米格-25高空超音速戰機即採用米庫林-圖曼斯克設計局的渦噴發動機作為動力,曾經創下3.3馬赫的戰鬥機速度紀錄與37250米的升限紀錄。(這個紀錄在一段時間內不太可能被打破的)

渦輪扇發動機相比,渦噴發動機燃油經濟性要差一些,但是高速性能要優於渦扇,特別是高空高速性能。

基本參數[編輯]

  • 推力重量比:Thrust to weight ratio,代表發動機推力與發動機本身重量之比值,愈大者性能愈好。
  • 壓縮機級數:代表壓縮機的壓縮葉片有幾級,通常級數愈大者壓縮比愈大。
  • 渦輪級數:代表渦輪機的渦輪葉片有幾級。
  • 壓縮比:進氣被壓縮機壓縮後的壓力,與壓縮前的壓力之比值,通常愈大者性能愈好。
  • 海平面最大淨推力:發動機在海平面高度及條件,與外界空氣的速度差(空速)為零時,全速運轉所產生的推力,被使用的單位包括kN(千牛頓)、kg(公斤)、lb(磅)等。
  • 單位推力小時耗油率:又稱比推(specific thrust),耗油率與推力之比,公制單位為kg/N-h,愈小者愈省油。
  • 渦輪前溫度:燃燒後之高溫高壓氣流進入渦輪機之前的溫度,通常愈大者性能愈好。
  • 燃氣出口溫度:廢氣離開渦輪機排出時的溫度。
  • 平均故障時間:每具發動機發生兩次故障的間隔時間之總平均,愈長者愈不易故障,通常維護成本也愈低。

參見條目[編輯]

參考文獻[編輯]