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渦輪發(fā)動機(jī) 我有新說法
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渦輪發(fā)動機(jī)(Turbine engine,或常簡稱為Turbine)是一種利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)件自穿過它的流體中汲取動能的發(fā)動機(jī)形式,是內(nèi)燃機(jī)的一種。常用作飛機(jī)與大型的船舶或車輛的發(fā)動機(jī)。

目錄

渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品組成

所有的渦輪發(fā)動機(jī)都具備壓縮機(jī)(Compressor)、燃燒室(combustion)、渦輪機(jī)(Turbine,也就是渦輪發(fā)動機(jī)之名的來源)三大部份。壓縮機(jī)通常還分成低壓壓縮機(jī)(低壓段)和高壓壓縮機(jī)(高壓段),低壓段有時也兼具進(jìn)氣風(fēng)扇增加進(jìn)氣量的作用,進(jìn)入的氣流在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮成高密度、高壓、低速的氣流,以增加發(fā)動機(jī)的效率。氣流進(jìn)入燃燒室后,由供油噴嘴噴射出燃料,在燃燒室內(nèi)與氣流混合并燃燒。燃燒后產(chǎn)生的高熱廢氣,接著會推動渦輪機(jī)使其旋轉(zhuǎn),然后帶著剩余的能量,經(jīng)由噴嘴或排氣管排出,至于會有多少的能量被用來推動渦輪,則視渦輪發(fā)動機(jī)的種類與設(shè)計而定,渦輪機(jī)和壓縮機(jī)一樣可分為高壓段與低壓段。
雖然渦輪發(fā)動機(jī)可能有許多不同的運作原理,但的渦輪型式可以只包含一個“轉(zhuǎn)子”(Rotor),例如一個帶有中心軸的扇葉,將此扇葉放置在流體中(例如空氣或水),流體通過時對扇葉施加的力量會帶動整個轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動,進(jìn)而得以從中心軸輸出軸向的扭力。風(fēng)車與水車這類的裝置,可以說是人類發(fā)明的渦輪發(fā)動機(jī)原型。
依照不同的分類方式,渦輪發(fā)動機(jī)也可以分類成很多不同的型式。例如以燃燒室與轉(zhuǎn)子的位置是否在一起進(jìn)行區(qū)別,就存在有屬于外燃機(jī)一類的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(Gas turbine)和屬于內(nèi)燃機(jī)一類的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)(Turbofan)。
如果將渦輪發(fā)動機(jī)反過來運作,則會變成一種輸入力量之后可以將流體帶動的設(shè)備,例如壓縮機(jī)與泵。
有些渦輪發(fā)動機(jī)本身具有多組扇葉,其中部分是用于自流體汲取動力,部分是用于推動流體,二者不能混為一談。舉例來說在大部分的渦輪扇葉發(fā)動機(jī)與渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)中,位于燃燒室之前的扇葉實際的作用是用于加壓進(jìn)氣,因此應(yīng)被視為是一種壓縮機(jī)。真正的渦輪機(jī)部分是位于燃燒室后方的風(fēng)扇,被燃燒后的排氣推動產(chǎn)生動力,再透過傳動軸將力量輸送至主扇葉(渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī))或螺旋槳(渦輪旋槳發(fā)動機(jī))處,推動其運轉(zhuǎn)。[1]

渦輪發(fā)動機(jī)性能介紹

工作原理
渦輪增壓發(fā)動機(jī)是一個空氣壓縮機(jī),它利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣作為動力來推動位于排氣道內(nèi)的渦輪,渦輪轉(zhuǎn)動的同時帶動位于進(jìn)氣道內(nèi)同軸的葉輪,葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣,再送入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速加快,高速的廢氣推動渦輪提速,廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速同步加快,空氣壓縮程度得以加大,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量就相應(yīng)地增加,氣缸內(nèi)燃燒更充分,動力輸出就更高。
優(yōu)勢
內(nèi)燃機(jī)是一種耗氣機(jī)械,由于燃油需要與空氣混合才能完成燃燒沖程一旦空燃比達(dá)到某一值后,再增加燃油,不但不會產(chǎn)生更多功率,還將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中。發(fā)動機(jī)供油越多黑煙就越濃。因此,當(dāng)超過空燃比極限后,繼續(xù)供油不但消耗更多燃油、使柴油機(jī)壽命縮短,還會嚴(yán)重污染大氣。
渦輪增壓的是它可在不增加發(fā)動機(jī)排量的基礎(chǔ)上,大幅度提高發(fā)動機(jī)的功率,非增壓發(fā)動機(jī)通過曲軸的運動直接從大氣中吸進(jìn)空氣,而渦輪增壓發(fā)動機(jī)由渦輪增壓器向發(fā)動機(jī)提供壓縮空氣。由于進(jìn)入氣缸的空氣量增多,所以允許噴入較多的燃油使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這意味著一臺尺寸和重量相同的發(fā)動機(jī)經(jīng)增壓后可以產(chǎn)生較多的功率或者說一臺小排量發(fā)動機(jī)經(jīng)增壓后可產(chǎn)生與較大發(fā)動機(jī)相同的功率。由于渦輪增壓器為發(fā)動機(jī)提供了更多的空氣燃油在發(fā)動機(jī)氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更。其它還有節(jié)約燃油和降低排放等優(yōu)點。
渦輪增壓器可使非增壓發(fā)動機(jī)在高原上工作時得到氧氣補(bǔ)償,發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器相匹配使進(jìn)氣管壓力保持海平面大氣壓。而一臺自然吸氣的發(fā)動機(jī)隨著海拔高度的增加其功率將下降。增壓系統(tǒng)技術(shù)類型主要由以下幾種。

渦輪發(fā)動機(jī)主要分類

按照發(fā)動機(jī)燃料燃燒所需的氧化劑的來源不同可分為火箭發(fā)動機(jī)和空氣噴氣發(fā)動機(jī)。火箭發(fā)動機(jī)自帶氧化劑。火箭發(fā)動機(jī)根據(jù)氧化劑和的形態(tài)不同,又分為液體火箭發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)。
渦輪發(fā)動機(jī)近來也被用來用作大型發(fā)電機(jī)。
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)
(主要用于戰(zhàn)斗機(jī),以及超音速客機(jī),例如協(xié)和號);
這類發(fā)動機(jī)具有加速快、設(shè)計簡便等優(yōu)點,是較早實用化的噴氣發(fā)動機(jī)類型。但如果要讓渦噴發(fā)動機(jī)提高推力,則必須增加燃?xì)庠跍u輪前的溫度和增壓比,這將會使排氣速度增加而損失更多動能,于是產(chǎn)生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發(fā)動機(jī)油耗大,對于商業(yè)機(jī)來說是個致命弱點。[2]
渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
(主要用于民用噴氣式客機(jī)機(jī)和轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī),運輸機(jī)等,是應(yīng)用廣泛的渦輪發(fā)動機(jī))
渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的妙處,就在于既提高渦輪前溫度,又不增加排氣速度。渦扇發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu),實際上就是渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的前方再增加了幾級渦輪,這些渦輪帶動一定數(shù)量的風(fēng)扇。風(fēng)扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發(fā)動機(jī)一樣,送進(jìn)壓氣機(jī)(術(shù)語稱“內(nèi)涵道”),另一部分則直接從渦噴發(fā)動機(jī)殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此,渦扇發(fā)動機(jī)的燃?xì)饽芰勘环峙傻搅孙L(fēng)扇和燃燒室分別產(chǎn)生的兩種排氣氣流上。這時,為提高熱效率而提高渦輪前溫度,可以通過適當(dāng)?shù)臏u輪結(jié)構(gòu)和增大風(fēng)扇直徑,使更多的燃?xì)饽芰拷?jīng)風(fēng)扇傳遞到外涵道,從而避免大幅增加排氣速度。熱效率和推進(jìn)效率取得了平衡,發(fā)動機(jī)的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低,飛機(jī)航程變得更遠(yuǎn)。 從結(jié)構(gòu)上看,目前渦扇發(fā)動機(jī)可分為單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子、三轉(zhuǎn)子。
渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)可以再細(xì)分為不加力式和加力式。前者不僅渦輪前溫度較高,而且風(fēng)扇直徑較大,涵道比可達(dá)8以上,這種發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于渦輪噴氣發(fā)動機(jī),而可用飛行速度又比活塞式發(fā)動機(jī)高,在現(xiàn)代大型干線客機(jī)、運輸機(jī)等速度為M0.9左右的飛機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)熱機(jī)的原理,當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率一定時,參加推進(jìn)的工質(zhì)越多,所獲得的推力就越大,不加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)由于風(fēng)扇直徑大,空氣流量就大,因而推力也較大。同時由于排氣速度較低,這種發(fā)動機(jī)的噪音也較小。加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)在飛機(jī)巡航中是不開加力的,這時它相當(dāng)于一臺不加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī),但為了追求高的推重比和減小阻力,這種發(fā)動機(jī)的涵道比一般在1.0以下。在高速飛行時,發(fā)動機(jī)的加力打開,外涵道的空氣和渦輪后的燃?xì)庖煌M(jìn)入加力燃燒室噴油后再次燃燒,使推力可大幅度增加,甚至超過了加力式渦輪噴氣發(fā)動機(jī),而且隨著速度的增加,這種發(fā)動機(jī)的加力比還會上升,并且耗油率有所下降。加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)由于具有這種低速時較油耗低,開加力時推重比大的特點。
渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)(主要用于螺旋槳飛機(jī),很多舊型號的活塞式螺旋槳發(fā)動機(jī)后來都經(jīng)改造安裝上了渦槳發(fā)動機(jī)從而延長了飛行壽命);
渦輪軸發(fā)動機(jī)(主要用于直升機(jī))
此外還有螺旋槳及風(fēng)扇組合的漿扇發(fā)動機(jī)
從噴氣推進(jìn)方式來講,還有:
沖壓噴氣發(fā)動機(jī)(主要用于和靶機(jī)),采用間歇燃燒原理的脈沖噴氣發(fā)動機(jī),以及不同類型組合的發(fā)動機(jī),如渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機(jī)。

渦輪發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動機(jī)壓力比:壓力比是在發(fā)動機(jī)上兩個不同地點之間的壓力關(guān)系。
EPR=Pt7/Pt2(普惠公司JT系列)
EPR=Pt4.95/Pt2(PW4000系列)
發(fā)動機(jī)涵道比:是指渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通過外涵的空氣質(zhì)量流量與通過內(nèi)涵的空氣質(zhì)量流量之比。涵道比為1左右是低涵道比發(fā)動機(jī),2~3左右是中涵道比發(fā)動機(jī),4以上是高涵道比發(fā)動機(jī)。
發(fā)動機(jī)排氣溫度:用EGT來表示。渦輪進(jìn)口總溫是發(fā)動機(jī)最重要、最關(guān)鍵的參數(shù),但是由于這里溫度高,溫度場不均勻,目前實際是測量渦輪排氣溫度間接反映渦輪進(jìn)口溫度的高低,限制EGT以保證渦輪進(jìn)口溫度不超過限制。
風(fēng)扇轉(zhuǎn)速:用n1表示。對于高涵道比渦扇發(fā)動機(jī),由于風(fēng)扇產(chǎn)生推力占絕大部分,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也是推力表征參數(shù),在駕駛艙顯示。
通常部件有:進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、噴管以及附件傳動部分。壓氣機(jī)、燃燒室組成核心發(fā)動機(jī)。[1]
參考資料


目錄
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