喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

涡轮喷气发动机是一种涡轮发动机,特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力,但油耗比涡轮风扇发动机高。涡喷发动机分为离心式与轴流式两种,相比起离心式涡喷发动机,轴流式具有横截面小,压缩比高的优点,当今的涡喷发动机大多为轴流式。下面我们要说的也是轴流式涡轮喷气发动机。

工作原理

喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

轴流式涡轮喷气发动机结构图

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,就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、燃烧和排气这四个阶段,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,就对应着活塞式发动机的四个工作位置。

喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

涡轮喷气式发动机

空气首先进入的是发动机的进气道,当飞机飞行时,可以看作气流以飞行速度流向发动机,由于飞机飞行的速度是变化的,而压气机适应的来流速度是有一定的范围的,因而进气道的功能就是通过可调管道,将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时,在进气道前和进气道内气流速度减至亚音速,此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍,大大超过压气机中的压力提高倍数,因而产生了单靠速度冲压,不需压气机的冲压喷气发动机。

喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

原理动图

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,温度升高。在亚音速时,压气机是气流增压的主要部件。

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膨胀转化为机械能,带动压气机旋转,在涡轮喷气发动机中,平衡状态下气流在涡轮中膨胀所做的功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大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,发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。

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。

喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

结构原理图

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,只能达到1650K左右,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至1.5倍左右。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,低空不过十几秒,多用于起飞或战斗时,在高空则可开较长的时间。

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应用

喷气式飞机飞行原理(涡轮喷气发动机的工作原理)

广泛应用于航空航天

涡喷发动机适合航行的范围很广,从低空低亚音速到高空超音速飞机都广泛应用。与涡轮风扇发动机相比,涡喷发动机燃油经济性要差一些,但是高速性能要优于涡扇,特别是高空高速性能。同时喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机,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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