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发动机内部结构图解(发动机内部结构图高清)

时间:2022-05-14 10:44:32 来源:潭祖精密机械 作者:TANZU

从诞生至今,航空涡轮喷气发动机的发展史已近百年。从离心到轴流,从单轴到双轴、三轴,从涡喷到涡扇再到变循环,伴随着一次次的技术突破,人类航空动力系统也同步发生着进化与蜕变。有鉴于此,我们有必要对早已熟知的航空涡轮喷气动力的构型和原理进行粗略地梳理回顾。


涡轮喷气发动机工作原理


现代涡轮喷气发动机,基本构性可分为离心式和轴流式。所谓离心式,是指发动机的压气机由一块表面密布叶片的圆盘构成。当压气机高速运转时,靠旋转的叶片产生的强大吸力将外部空气吸入,再利用高速的圆周运动形成的巨大离心力,将吸入的空气甩向周围的函道内壁,并通过预设的导气管将气流导向后方的燃烧室,再与喷油嘴喷出的雾状燃油充分混合后点燃,由此生成的高温、高压燃气以极高的速度向后喷出,并以此驱动燃烧室后的涡轮飞速旋转(旋转的涡轮通过传动轴带动燃烧室前方的压气机,达到维持发动机高效率持续运转的目的),最后高速燃气从尾喷口喷出,为平台飞行提供足够推力。


离心式压气机的优势在于单级进气的高效率,缺点是这种结构很难做到多级串联,进而严重限制了发动机动力提升的潜力,因此现在已基本不再使用(导弹用的小型发动机可能还有使用。国外也有采用轴流与离心混合的压气机,就是在轴流结构之后再串联一级离心盘,但应用范围很小)。


离心式涡喷发动机构造


所谓轴流式,是指发动机压气机由若干组串联而成的叶片结构组合构成。这种结构通常由两类叶片组成,即可转动的转叶(也称动叶)和固定不动的导叶(也称静叶)。转叶的作用是通过高速旋转将空气吸入,而导叶的作用是对进入的空气进行整流和引导,以便让发动机的进气更加充分顺畅。相对于离心式,轴流式的优点在于吸进的空气可以直接流向后方,这就为叶片组的多级串联提供了根本保证。虽然单级效率不及离心盘,但更出色的发展潜力却让轴流式成为了当今涡轮航发界当之无愧的绝对主流。不仅仅是喷气式动力,我们熟知的涡轴、涡桨以及舰用燃气轮机、陆用燃气轮机(可用于发电),也都可基于轴流式核心机(压气机、燃烧室、涡轮)改型研发。可以说,其用途之广、影响力之大超乎很多人的想象。


离心式和轴流式工作原理对比


说完压气机,下面该轮到轴了,也就是那根连接压气机和涡轮的传动轴。起初,这种传动轴每台发动机只有一根,因此连接于其两端的压气机与涡轮只能做同速同向的旋转,这不仅在一定程度上影响了核心机的工作效率,而且单向旋转所带来的旋转力矩还会使飞行中的平台出现偏航(这和直升机旋翼产生的反向力矩是一个道理),如果要保持正常的直线飞行,平台就必须依靠相关气动操纵面(如方向舵或全动垂尾)的偏转来加以平衡,而这必然增加额外的飞行阻力,这种影响无论对于飞行速度还是燃料消耗无疑都是负面的。当然,双发或四发的配置可以通过相同数量的对转发动机抵消力矩并解决偏航问题,但这又会带来新的问题,这会导致平台左右两侧的发动机不能互换,明显不符合后勤保障的简单性和便捷性原则。


双轴涡喷发动机原理


此后,随着时间的推移,面对飞行平台越来越大的起飞重量与越来越高的技战术指标,仅凭单轴的动力输出显然已经力不从心,于是效率更高、推力更强、改进升级空间也更大的双轴结构就应运而生了。


那么什么是双轴结构呢?简单说就是在空心的单轴内再套入一根轴,其两端同样分别连接一组压气机和涡轮。也就是说,双轴发动机同时拥有两套独立运作的压、涡套组,而压气机和涡轮自此也就出现了高压与低压之分。紧贴燃烧室两端的为高压轴连接的高压组(高压压气机、高压涡轮),位于高压组两侧的为低压轴连接的低压组(低压压气机、低压涡轮)。发动机运转时,两轴是以不同的转速反向对转的,这不但可以有效提高发动机整机的工作效率,还能最大限度的抵消两者产生的旋转力矩(这就相当于直升机的共轴双旋翼设计),从而有效解决了单发偏航和双、四发两侧发动机无法互换通用的问题。这对于提高平台的气动效能和简化后勤保障无疑都具有非常积极的意义。


轴流式涡喷发动机工作图解


既然明白了双轴,那三轴就应该不难理解了,无非就是在双轴的中心再套入一根轴,再分别连接一组位于高低压套组之间的压气机和涡轮(中压压气机、中压涡轮)。不过在实际测试中发现,这种三轴设计对发动机性能的改善并不像预想中的那样明显,而核心机的结构却因此变得过于复杂,效费比很不理想。于是在灵光一闪之后,三轴也就很快归于平淡并渐渐被世人遗忘。


至此,里面的东西说得差不多了,下面该说外面的了。外面都有什么呢?涵道,也就是发动机内可供气流进出的通道。我们熟知的涡喷(涡轮喷气)、涡扇(涡轮风扇),以及即将成为下一代战机标配的变循环动力,都分别拥有不同数量的涵道。


涡扇发动机工作原理


单涵道涡喷发动机,顾名思义只有一条气流通道,因此属典型的单通道结构。涡喷的优点是高空稀薄大气环境下动力衰减小,非常适合高空高速状态下的飞行。缺点是巡航状态下油耗过高。


以涡喷发动机为基础再添加一个外涵道,并在原有的压气机前端再加装一组风扇,这就得到了以双涵道为特征的涡扇发动机。相对于同类涡喷,涡扇的优点在于非加力状态下的低油耗(通常较同类和同等推力的涡喷低40%左右)和大推力,缺点是高空稀薄大气环境下较大的动力衰减。因此,涡扇更适合中、低空的巡航飞行和机动格斗。


这里再说明一下,涡扇发动机可通过最前端的风扇将空气吸入外涵道,然后从喷口高速喷出产生推力。也就是说相对于涡喷,涡扇在燃烧室之外又多出了一个动力来源,而这也就是双涵道可以实现低油耗、大推力的根本原因。


涡扇发动机机基本构造


至于三涵道,是由于涡喷、涡扇各有所长和不足,因此要想最大限度地发挥两者的优势并克服不足,最好的方法就是将这两种类型合二为一,并在此基础上再将适合更高速飞行的冲压模式融入其中,最终实现不同工作模式之间的自如转换。于是双涵道的外面又多出了一个函道,变循环构型于是横空出世。


前面已经说了这么多,那么在当今全球范围内,中国的航发技术究竟位居何种位置呢?不得不承认,虽然拥有数千年的灿烂文明史,然而在现代科技领域,中国却是不折不扣的后来者。仅从现代航空涡轮动力上来说,在以美国F-119、F-135和F-414为代表的四代大推、中推已装机使用多年后的今天,我们的三代大推涡扇-10才刚刚步入成熟,与世界最先进水平之间的代差依然没有抹平。


用于航天动力的涡轮火箭基组合发动机(TRRE)属于组合循环动力


不过,随着涡扇-15/19/20和民用长江系列等一大批先进航发项目的快速推进,包括JF12激波风洞、JF22超高速风洞、FL62连续式跨声速风洞在内的一系列前沿基础设施陆续投用,中国航发正迎来一个前所未有的井喷式爆发期,变循环、脉冲爆震、超燃冲压以及组合循环等革命性动力已不太遥远,在攀登人类航空科技最高峰的征途上,我们不会也不可能再次落伍。我们应当有这个决心和信心。


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