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          航空發(fā)動機原理小科普為您講解渦噴、渦扇、渦槳、渦軸的區(qū)別

          自從20世紀(jì)初葉徠特兄弟實現(xiàn)人類長久以來的飛行夢想以來,人類對天空的探索從沒停止過。


          最初飛機的動力來自活塞式發(fā)動機;1950年代之后,活塞式發(fā)動機逐漸讓位于燃氣渦輪發(fā)動機。由于在高速飛行時,活塞式發(fā)動機輸出推力較小,因此在現(xiàn)代飛機中,動力裝置絕大多數(shù)為燃氣渦輪發(fā)動機。


          航空燃氣渦輪發(fā)動機分為若干種:[渦輪噴氣發(fā)動機]、[分別排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機]、[渦輪槳發(fā)動機]、[渦輪軸發(fā)動機]


          1. 渦噴發(fā)動機



          0進氣道進氣---1壓氣機增壓---2燃燒室加熱---3渦輪膨脹作功帶動壓氣機---4尾噴管膨脹加速---9排氣到體外


          對了,常有航空愛好者覺得燃氣輪機這東西不可思議,有點像是“永動機”,不然怎么能夠自己(渦輪)帶動自己(壓氣機)轉(zhuǎn)呢? 


          其實并不是醬紫滴~~


          燃氣渦輪發(fā)動機先由輔助動力裝置(APU)帶動,APU就是一個小型的燃氣輪機,而APU由一個小電動機帶動。發(fā)動機轉(zhuǎn)起來之后,壓氣機源源不斷地把壓縮了的空氣送到后面的燃燒室,在燃燒室里空氣和燃油混合燃燒,向后排出高溫高速高壓氣體,這些氣體帶動渦輪旋轉(zhuǎn),渦輪和壓氣機是用軸連在一起的,因此渦輪旋轉(zhuǎn)了,壓氣機也跟著旋轉(zhuǎn),就不斷地把空氣壓縮進去了~~  


          昆侖渦噴發(fā)動機



          昆侖渦噴發(fā)動機是我國第一臺走完自行設(shè)計、試制、試驗、試飛全過程的航空發(fā)動機,昆侖發(fā)動機的軍用代號是渦噴14。


          2. 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機


          渦輪風(fēng)扇發(fā)動機要比渦輪噴氣發(fā)動機更省油,尤其是超過音速不太多時。所以民用噴氣飛機大多數(shù)采用的是分別排氣式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。 


          我國民用分開排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機還未研制成功,軍用混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機已成功批量生產(chǎn)的有:相當(dāng)于英國60年代的SPEY(斯貝)國內(nèi)法仿制型號是WS-9,改進型號叫秦嶺,用于飛豹上。相當(dāng)于蘇27上的AL31的太行也研制成功。美國用于F22的F-119-PW-100雙轉(zhuǎn)子加力渦扇發(fā)動機已能無加力超音速巡航,而AL31還不行。


          2.1分別排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機




          進氣道進氣--風(fēng)扇增壓--氣流分為兩股


          內(nèi)涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風(fēng)扇和壓氣機--內(nèi)涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外


          外涵氣流:外涵道--外涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外


          我們常見的民航客機所采用的發(fā)動機,多半是分別排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,比如著名的V2500,PW4000,GE90....



          這就是著名的V2500發(fā)動機“國際航空發(fā)動機公司”生產(chǎn)的,給A320使用的。


          MD90,A321飛機都采用了這種發(fā)動機。


          V2500發(fā)動機是軸流式,雙轉(zhuǎn)子,高涵道比(恩,就認為外面那圈的氣流比里面那圈大些吧 )




          渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)是:


          5級低壓壓氣機(包括最前端(最左端)的最大的那一坨風(fēng)扇葉片)


          10級高壓壓氣機


          環(huán)型燃燒室


          2級高壓渦輪


          5級低壓渦輪


          混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機



          進氣道進氣--風(fēng)扇增壓--氣流分為兩股


          內(nèi)涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風(fēng)扇和壓氣機--混合器


          外涵氣流:外涵道--混合器


          兩股氣流在混合器中摻混--尾噴管膨脹加速--排氣到體外  


          秦嶺渦扇發(fā)動機




          太行發(fā)動機


          太行大推力渦輪風(fēng)扇發(fā)動機就是網(wǎng)上所說的WS10/10A、B、C、D系列發(fā)動機,推比8左右。太行發(fā)動機的研制始于上世紀(jì)八十年代末,2005年12月28日完成設(shè)計定型審查考核,歷時18年。太行發(fā)動機是中國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、大推力、加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,它結(jié)束了國產(chǎn)先進渦扇發(fā)動機的空白。太行發(fā)動機由中國606所研制,是國產(chǎn)第三代大型軍用航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。采用大推力函比及全自動數(shù)字化控制系統(tǒng),最大推力不超過12000公斤。


          太行發(fā)動機和它的總設(shè)計師張恩和


          渦輪軸發(fā)動機


          航空渦輪軸發(fā)動機,或簡稱為渦鈾發(fā)動機,是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動機。法國 是最先研制渦軸發(fā)動機的國家。50年代初,透博梅卡公司研制成一種只有一級離心式葉輪壓氣機、兩級渦輪的單轉(zhuǎn)于、輸出軸功率的直升機用發(fā)動機,功率達到了 206kW(280hp),成為世界上第一臺直升機用航空渦輪軸發(fā)動機,定名為“阿都斯特—l”(Artouste—1)。首先裝用這種發(fā)動機的直升機 是美國貝爾直升機公司生產(chǎn)的Bell 47(編號為XH—13F),于1954年進行了首飛。


          渦軸發(fā)動機的主要機件與一般航空噴氣發(fā)動機一樣,渦軸發(fā)動機也有進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪及排氣 裝置等五大機件,渦軸發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。  





          壓氣機 


          壓氣機的主要作用是將從進氣道進入發(fā)動機的空氣加以壓縮,提高氣流的壓強,為燃燒創(chuàng)造有利條件。 根據(jù)壓氣機內(nèi)氣體流動的特點,可以分為軸流式和離心式兩種。軸流式壓氣機,面積小、流量大;離心式結(jié)構(gòu)簡單、工作較穩(wěn)定。渦軸發(fā)動機的壓氣機,其結(jié)構(gòu)形式 幾經(jīng)演變,從純軸流式、單級離心、雙級離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機。當(dāng)前,直升機的渦軸發(fā)動機大多采用的是若干級軸流加一級離心所構(gòu)成的組合壓氣機。例如,國產(chǎn)渦軸6、 渦軸8發(fā)動機為l級軸流加1級離心構(gòu)成的組合壓氣機;“黑鷹”直升機上的T700發(fā)動機其壓氣機為5級軸流加上l級離心。壓氣機部件主要由進氣導(dǎo)流器、壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機靜子及防喘裝置等組成。壓氣機轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)的組合件,軸流式轉(zhuǎn)子葉片呈葉柵排列安裝在工作葉輪周 圍,離心式轉(zhuǎn)子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部,見下圖。壓氣機靜于由壓氣機殼體和靜止葉片組成。轉(zhuǎn)于旋轉(zhuǎn)時,通過轉(zhuǎn)子葉片迫使空氣向后流動,不僅加速了空氣,而且使空氣 受到壓 縮,轉(zhuǎn)于葉片后面的空氣壓強大于前面的壓強。氣流離開轉(zhuǎn)于葉片后,進入起擴壓作用的靜于葉片。在靜于葉片的通道、空氣流速降低,壓強升高,得到進一步壓 縮。一個轉(zhuǎn)子加一個靜于稱為一級。衡量空氣經(jīng)過壓氣機被壓縮的程度,常用壓縮后與壓縮前的壓強之比,即增壓比來表示。 


          增壓比是評估壓氣機性能的重要指標(biāo)?,F(xiàn)代直升機裝用的渦軸發(fā)動機,要求壓 氣機的總增壓比越來越高,有的已使增壓比達到20,以使發(fā)動機獲取盡可能高的熱效率和軸功率。


          燃燒室


          燃燒室是發(fā)動機內(nèi)燃油與空氣混合、燃燒的地方。燃燒室一般由外殼、火焰筒組成,氣流進口處還設(shè)有燃油噴嘴,起動時用的噴油點火器也裝在這里。燃燒室的 工作條件十分惡劣,由于氣體流速很高(一般流速為50一100m/s之間),混合氣燃燒如大風(fēng)中點火,因此保持燃燒穩(wěn)定至關(guān)重要。為了保證穩(wěn)定燃燒,在燃 燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取氣流分流和火焰穩(wěn)定等措施。


          經(jīng)過壓氣機壓縮后的高壓空氣進入燃燒室,被火焰筒分成內(nèi)、外兩股,大部分空氣在火 焰筒外部,沿外部通道向后流動,起著散熱、降溫作用;小部分空氣進入火焰筒內(nèi)與燃油噴 嘴噴出(或者甩油盤甩出)的燃油混合形成油氣混合氣,經(jīng)點火燃燒成為燃氣,向后膨脹加速,然后與外部滲入火焰筒內(nèi)的冷空氣摻合,燃氣溫度平均可達 1500℃,流速可達230m/s,高溫、高速的燃氣從燃燒室后部噴出沖擊渦輪裝置。


          工作時,先靠起動點火器點燃火焰筒內(nèi)的混合氣,正常工作時靠火焰筒內(nèi)的燃氣保持穩(wěn)定燃燒。由于燃燒室的零件工作在高溫、高壓下,工作中常出現(xiàn)翹曲、變形、裂紋、過熱燒穿等故障,為此燃燒室采用熱強度高、熱塑性好的耐高溫合金。


          按照燃氣在燃燒室的流動路線,燃燒室可分為直流和回流式兩種。直流燃燒室形狀細且長,燃氣流動阻力小,回流燃燒室燃氣路線回轉(zhuǎn),燃氣流動阻力大,但可 使發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊,縮短轉(zhuǎn)于軸的長度,使發(fā)動機獲得較大的整體剛度。圖2.2—34為國產(chǎn)禍軸8發(fā)動機的 燃燒室,是介于以上兩者之間的一種折流燃燒室,使燃氣折流適應(yīng)甩油盤甩出燃油的方向, 以提高燃油霧化質(zhì)量及燃燒室工作效率。



          渦輪 


          渦輪的作用是將高溫、高壓燃氣熱能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的機械能。它是渦抽發(fā)動機的主要機件之一,要求尺寸小、效率高。渦輪通常由靜止的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)動的工 作葉輪組成。和壓氣機恰好相反,禍輪的導(dǎo)向葉片在前,工作葉片在后。從燃燒室來的燃氣,先經(jīng)過導(dǎo)向葉片、由于葉片間收斂形通道的作用,提高速度、降低壓 強,燃氣膨脹并以適當(dāng)?shù)慕嵌葲_擊工作葉輪,使葉輪高速旋轉(zhuǎn)?,F(xiàn)代渦軸發(fā)動機進入渦輪前的溫度可高達1500℃,渦輪轉(zhuǎn)速超 過50000r/min。由于渦輪工作時要承受巨大的離心力和熱負荷,所以渦輪一般選用耐高溫的高強度合金鋼,此外,還要為禍輪的散熱和軸承的潤滑進行周密設(shè)計。


          與一般渦輪噴氣發(fā)動機不同,直升機用渦軸發(fā)動機的渦輪既要帶動壓氣機轉(zhuǎn)動,又要帶 動旋翼、尾槳工作?,F(xiàn)在大多數(shù)渦軸發(fā)動機將渦輪分為彼此無機械連接的前、后兩段,見上圖。前段帶動壓氣機工作,構(gòu)成發(fā)動機的燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子;后段作為動力 軸,即自由 渦輪,輸出鈾功率帶動旋翼、尾槳等部件工作。前、后兩段雖不發(fā)生機械連接關(guān)系,卻有著 氣體動力上的聯(lián)系,可以使得燃氣發(fā)生器渦輪與自由渦輪在氣體熱能分配上隨飛行條件改變 作適當(dāng)調(diào)整,這樣就能使渦軸發(fā)動機性能與直升機旋翼性能在較寬裕的范圍內(nèi)得到優(yōu)化組。

            


          渦軸8(WZ8)型渦輪軸式噴氣發(fā)動機是在法國阿赫耶渦軸發(fā)動機的基礎(chǔ)上,由我國南方航空動力機械公司生產(chǎn)的軍民兩用的發(fā)動機。牌號為渦軸8,主要用于直9系列直升機。




          渦軸-9(WZ9)為目前武直-10的動力,目前沒有比較公開的詳細資料,應(yīng)該出自608所。2013年直博會大秀其優(yōu)秀機動性


          渦軸-16(WZ16),是由中方與法國透博梅卡公司聯(lián)合研制的大功率發(fā)動機的代號,法國編號為“阿蒂單”-3,該發(fā)動機的功率達到1200-1500千瓦,超過了加拿大普·惠生產(chǎn)的PT6C-67C渦軸發(fā)動機(1250千瓦功率)。后因各種原因被迫放棄,而改用了國產(chǎn)渦軸-9型發(fā)動機。渦軸-16研制成功后,如果能再次整合到武直十項目中,能令武直十的性能成倍躍升,或能從現(xiàn)在的中型武裝直升機一躍成為與阿帕奇比肩的重型武裝直升機。





          渦軸-16,未來國產(chǎn)武直的希望?。?!


          渦輪槳發(fā)動機


          進氣道進氣-壓氣機增壓-燃燒室加熱-渦輪膨脹作功帶動壓氣機和螺旋槳-尾噴管膨脹加速-排氣到體外


          發(fā)動機是槳扇發(fā)動機的一種方案,可以說是采用先進技術(shù)的渦輪螺槳發(fā)動機。是帶有外涵道的槳扇發(fā)動機,可以視為超高涵道比的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(涵道比為 15~20量級)。普通螺旋槳由3到4片直葉片組成,而槳扇由8到10片后掠葉片組成,此外還具有葉型薄、最大厚度位置后移等特點。這些特點克服了一般螺 旋槳在飛行馬赫數(shù)在達到0.65(大約800KM/H)之后效率迅速下降的問題,而使推進效率較高的優(yōu)越性保持到飛行馬赫數(shù)0.8左右。


          近40年來用于支線客機和通用飛機的渦槳發(fā)動機已經(jīng)成功地研制和使用了兩代產(chǎn)品。第三代產(chǎn)品正在研制并陸續(xù)投產(chǎn)。第一代是20世紀(jì)70年代前投入市場的,主要代表機種為達特、PT6A和TPE331、NK-4、AI-20等,功率范圍500~1 500kW,耗油率為0.35~0.40kg/(kW·h),主要是12~60座的中短程的民航機。第二代是20世紀(jì)70年代末80年代初投入市場的,主要有PW100、CT7-5和TPE331-14/15等。這類發(fā)動機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)為:壓比11~16,渦輪前溫度1 273~1 533K,耗油率0.280~0.315kg/(kW·h)。第三代產(chǎn)品是指20世紀(jì)90年代以后的發(fā)動機。主要有AE2100和APE351-20兩型發(fā)動機。AE2100是美國艾利遜公司(已為羅·羅公司收購)研制的大功率渦槳發(fā)動機,功率為4 474kW,如改進高壓渦輪,功率可提高到5 880kW。發(fā)動機的發(fā)展?jié)摿^大。TPE351-20是美國加雷特公司(屬霍尼韋爾公司)為40座支線客機研制的中等功率的推進式渦槳發(fā)動機,原型機功率為1566kW,采用新的壓氣機后可使功率提高到1870kW。該型發(fā)動機是基于F109和TPE331-14等的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計的,發(fā)展?jié)摿艽?。此外加拿大普·惠公司也在發(fā)展PW200系列發(fā)動機,它包括渦軸型和渦槳型,也很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>


          渦槳發(fā)動機適用于巡航馬赫數(shù)為0.7~0.8的短途運輸機。  



          這是一個噴氣發(fā)動機的反推力裝置示意圖.


          正常飛行時.



            

          反推力裝置打開時候.




          (來源:美言網(wǎng))

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