噴氣發動機

噴氣發動機

噴氣發動機(Jet engine)是一種通過加速和排出的高速流體做功的熱機或電機。它既可以輸出推力,也可以輸出軸功率。大部分噴氣發動機都是依靠牛頓第三定律工作的內燃機,但也有一些例外。常見的噴氣發動機有渦輪風扇發動機、渦輪噴氣發動機、火箭發動機、衝壓發動機、脈衝式噴氣發動機等。

基本信息

歷史

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,但這是一種衝壓式噴氣發動機,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年後,他的發動機在完成其首次飛行,弗蘭克·惠特爾的這種發動機形成了現代渦輪噴氣發動機的基礎。

第二次世界大戰期間,惠特爾和奧海因繼續進行研究,當然還是各自為政,因為英國和德國正處於交戰狀態。看來對於無論哪個國家來說,能擁有可快速製造的用噴氣發動機來推進的航空器,都將是巨大的軍事優勢。結果,德國人於1939年生產了第一架可飛行的噴氣式飛機—“海因克爾HE-178”。英國隨後在1941年有了”格洛斯特E-28”。

組成

噴氣發動機包括有一個含有排氣孔的殼體;一個設定在殼體內的可鏇轉的轉子,轉子固定地安裝在軸承支承的輸出軸上;至少一個安裝在轉子周邊部的通過燃氣燃燒產生推進動力使轉子轉動的噴射裝置,噴射裝置包括一個含有噴氣口的燃燒室、一個點火裝置和一根輸氧氣管、一根輸氫氣管組成。

原理

實際套用

噴氣推進是伊薩克·牛頓(IsaacNewton)爵士的第三運動定律的實際套用。該定律表述為:“作用在一物體上的每一個力都有一方向相反大小相等的反作用力。”就飛機推進而言,“物體”是通過發動機時受到加速的空氣。產生這一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在產生這一加速度的裝置上。噴氣發動機用類似於發動機/螺鏇槳組合的方式產生推力。二者均靠將大量氣體向後推來推進飛機,一種是以比較低速的大量空氣滑流的形式,而另一種是以極高速的燃氣噴氣流形式。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,燃燒後高速噴出,在此過程中,發動機向氣體施加力,使之向後加速,氣體也給發動機一個反作用力,推動飛機前進。

著名例子

噴氣發動機套用噴氣發動機套用
這一同樣的反作用原理出現於所有運動形式之中,通常有許多套用方式。噴氣推進原理最早的著名例子是公元一世紀作為一種玩具生產的古希臘人希羅的發動機。這種玩具表明從噴嘴中噴出的水蒸氣的能量能夠把大小相等方向相反的反作用力傳給噴嘴本身,從而引起發動機鏇轉。類似的鏇轉式花園噴灌器是這一原理更為實用的一個例子。這種噴灌器藉助於作用於噴水嘴的反作用力鏇轉。現代滅火設備的高壓噴頭是“噴流反作用”的一個例子。由於水噴流的反作用力,一個消防員經常握不住或控制不了水管。也許,這一原理的最簡單的表演是狂歡節的氣球,當它放出空氣或氣體時,它便沿著與噴氣相反的方向急速飛走。

內部現象

噴氣式飛車噴氣式飛車
噴氣反作用絕對是一種內部現象。它不象人們經常想像的那樣說成是由於噴氣流作用在大氣上的壓力所造成的。實際上,噴氣推進發動機,無論火箭、衝壓噴氣、或者渦輪噴氣,都是設計成加速空氣流或者燃氣流並將其高速排出的一種裝置。當然,這樣做有不同的方式。但是,在所有例子中,作用在發動機上的最終的反作用力即推力是與發動機排出的氣流的質量以及氣流的速度成比例的。換言之,給大量空氣附加一個小速度或者給少量空氣一個大速度能提供同樣的推力。實用中,人們喜歡前者,因為降低噴氣速度能得到更高的推進效率

它們的工作過程可歸納為:進氣、壓縮、燃燒、排氣。

噴氣發動機用類似於發動機/螺鏇槳組合的方式產生推力。二者均靠將大量氣體向後推來推進飛機,一種是以比較低速的大量空氣滑流的形式,而另一種是以極高速的燃氣噴氣流形式。

噴氣推進方式

不同類型的噴氣發動機,無論衝壓噴氣、脈衝噴氣、燃氣輪機、渦輪/衝壓噴氣或者渦輪-火箭,其差別僅在於“推力提供者”即發動機供應能量並將能量轉換成飛行動力的方式。

衝壓噴氣

衝壓噴氣發動機實際上是一種氣動熱力涵道。它沒有任何主要鏇轉零件,只包含一個擴張形進氣涵道和一個收斂形或者收斂-擴張形出口。當由外部能源強迫其向前運動時,空氣被迫進入進氣道。當它流過這一擴散形涵道時,其速度或動能降低,而壓力能增加。爾後,靠燃油的燃燒來增加其總能量,膨脹的燃氣通過出口涵道高速排入大氣。衝壓噴氣發動機常作為飛彈和靶機的動力裝置,但單純的衝壓噴氣發動機不適於作為普通飛機動力裝置,因為在它產生推力前,要求向它施加向前的運動。

脈衝噴氣

脈衝噴氣發動機採用間歇燃燒原理。與衝壓噴氣發動機不同,它能在靜止狀態工作。這種發動機是由類似衝壓噴氣發動機的一種空氣動力涵道構成。它的壓力較高,結構比較堅實。進氣涵道有許多進氣“活門”,在彈簧拉力作用下處於打開位置,通過打開的活門空氣進入燃燒室,並靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱,由此引起的膨脹使壓力升高,迫使活門關閉,然後膨脹的燃氣向後噴出;排氣造成降壓,使活門重新開啟。這種過程周而復始。脈衝噴氣發動機曾經被設計成直升機鏇翼的推進裝置,有的還通過精心設計涵道來控制共振循環的壓力變化而省去了進氣活門。但脈衝噴氣發動機不適於作為飛機動力裝置,因為它的油耗高,又無法達到現代燃氣渦輪發動機的性能。
火箭發動機雖然也屬於噴氣發動機,但它們有重大區別。即火箭發動機不用大氣作為推進流體,而用它攜帶的液態燃料或化學分解而形成的燃料與氧氣劑的燃燒來產生它自己的推進流體,從而能在地球大氣層外工作,但因此它也只適用工作時間很短的情況.

渦輪噴氣

渦輪噴氣式發動機套用於噴氣推進避免了火箭和衝壓噴氣發動機固有的弱點,因為採用了渦輪驅動的壓氣機,因此在低速時發動機也有足夠的壓力來產生強大的推力。渦輪噴氣發動機按照“工作循環”工作。它從大氣中吸進空氣,經壓縮和加熱這一過程之後,得到能量和動量的空氣以高達2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(2253公里/小時)的速度從推進噴管中排出。在高速噴氣流噴出發動機時,同時帶動壓氣機渦輪繼續鏇轉,維持“工作循環”。渦輪發動機的機械布局比較簡單,因為它只包含兩個主要鏇轉部分,即壓氣機和渦輪,還有一個或者若干個燃燒室。然而,並非這種發動機的所有方面都具有這種簡單性,因為熱力和氣動力問題是比較複雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃氣並形成推進噴氣流的排氣系統的設計工作造成的。
飛機速度低於大約450英里/小時(724公里/小時)時,純噴氣發動機的效率低於螺鏇槳型發動機的效率,因為它的推進效率在很大程度上取決於它的飛行速度;因而,純渦輪噴氣發動機最適合較高的飛行速度。然而,由於螺鏇槳的高葉尖速度造成的氣流擾動,在350英里/小時(563公里/小時)以上時螺鏇槳效率迅速降低。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機不用純渦輪噴氣裝置而採用螺鏇槳和燃氣渦輪發動機的組合--渦輪螺鏇槳式發動機。
螺鏇槳/渦輪組合的優越性在一定程度上被內外涵發動機、涵道風扇發動機和槳扇發動機的引入所取代。這些發動機比純噴氣發動機流量大而噴氣速度低,因而,其推進效率與渦輪螺鏇槳發動機相當,超過了純噴氣發動機的推進效率。

渦輪/衝壓噴氣

渦輪/衝壓噴氣發動機將渦輪噴氣發動機(它常用於馬赫數低於3的各種速度)與衝壓噴氣發動機結合起來,在高馬赫數時具有良好的性能。這種發動機的周圍是一涵道,前部具有可調進氣道。後部是帶可調噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數3以下的飛行狀態下,發動機用常規的渦輪噴氣式發動機的工作方式;當飛機加速到馬赫數3以上時,其渦輪噴氣機構被關閉,氣道空氣藉助於導向葉片繞過壓氣機,直接流入加力噴管,此時該加力噴管成為衝壓噴氣發動機的燃燒室。這種發動機適合要求高速飛行並且維持高馬赫數巡航狀態的飛機,在這些狀態下,該發動機是以衝壓噴氣發動機方式工作的。

渦輪/火箭發動機

與渦輪/衝壓噴氣發動機的結構相似,一個重要的差異在於它自備燃燒用的氧。這種發動機有一多級渦輪驅動的低壓壓氣機,而驅動渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產生的。因為燃氣溫度可高達3500度,在燃氣進入渦輪前,需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然後這種富油混合氣(燃氣)用壓氣機流來的空氣稀釋,殘餘的燃油在常規加力系統中燃燒。雖然這種發動機比渦輪/衝壓噴氣發動機小且輕,但是,其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截擊機或者太空飛行器的發射載機。這些飛機要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而無須長的續航時間。

分類

衝壓噴氣發動機實際上是一種氣動熱力涵道。它沒有任何主要鏇轉零件,只包含一個擴張形進氣涵道和一個收斂形或者收斂-擴張形出口。當由外部能源強迫其向前運動時,空氣被迫進入進氣道。當它流過這一擴散形涵道時,其速度或動能降低,而壓力能增加。爾後,靠燃油的燃燒來增加其總能量,膨脹的燃氣通過出口涵道高速排入大氣。

衝壓噴氣發動機常作為飛彈和靶機的動力裝置,但單純的衝壓噴氣發動機不適於作為普通飛機動力裝置,因為在它產生推力前,要求向它施加向前的運動。

脈衝噴氣發動機採用間歇燃燒原理。與衝壓噴氣發動機不同,它能在靜止狀態工作。這種發動機是由類似衝壓噴氣發動機的一種空氣動力涵道構成。

它的壓力較高,結構比較堅實。進氣涵道有許多進氣“活門”,在彈簧拉力作用下處於打開位置,通過打開的活門空氣進入燃燒室,並靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱,由此引起的膨脹使壓力升高,迫使活門關閉,然後膨脹的燃氣向後噴出;排氣造成降壓,使活門重新開啟。

渦輪噴氣式發動機套用於噴氣推進避免了火箭和衝壓噴氣發動機固有的弱點,因為採用了渦輪驅動的壓氣機,因此在低速時發動機也有足夠的壓力來產生強大的推力。

渦輪噴氣發動機按照“工作循環”工作。它從大氣中吸進空氣,經壓縮和加熱這一過程之後,得到能量和動量的空氣以高達2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(2253公里/小時)的速度從推進噴管中排出。在高速噴氣流噴出發動機時,同時帶動壓氣機和渦輪繼續鏇轉,維持“工作循環”。因而,純渦輪噴氣發動機最適合較高的飛行速度。

使用燃料

噴氣發動機使用的主要是石油烴燃料,它根據沸點的不同分為三類:寬餾分型(沸點範圍60℃~280℃),煤油型(沸點範圍150℃~280℃),重餾分型(沸點範圍190℃~315℃)。通常使用的是航空煤油

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