你真的了解航空发动机,之涡轮风扇发动机
航空发动机分类大致分为两种,活塞航空发动机和涡轮航空发动机。
涡轮航空发动机根据用途,又可以分为涡轮螺旋桨、涡轮风扇、涡轮轴(接直升机桨叶)。
当然还有超音速的冲压发动机,脉冲冲压发动机,基本原理大致一样,这里主要讲涡轮风扇发动机。
涡轮风扇发动机,顾名思义在涡轮上外接一个大风扇,但是要和涡轮螺旋桨区别开,目前大型客机的主要发动机就是涡轮风扇发动机,其动力来源就是大涵道比的风扇产生的推力。
客机两个涡轮风扇发动机
涡轮风扇发动机的原理
首先强调的是涡轮风扇发动机工作的环境是高速亚音速飞行。工作原理和活塞发动机其实是可以相对应的,有吸气、压缩、做功、排气,这四个过程。这样有助于我们更好的理解它。
涡轮风扇发动机对于活塞发动机过程图
涡轮风扇发动机是风扇提供主要推力,而中间的涡轮为风扇提供动力,不过涡轮也提供一部分推力。
涡轮风扇发动机进气口设计
涡轮风扇发动机进气口设计呈扩散型的形状,讲这个之前我不得不提一下伯努利的连续性方程,这个方程在飞机动力学上可以说是起到关键性作用。
连续性方程图解
简单来说,根据截面积的变化来改变空气的流速,流速的变化反应就是动压的变化,从而改变静压。公式:P总=P静+P动
发动机的进气口设计呈扩散性,有利于在飞行过程中产生冲压效应。但是凡事不是完美的,对于低速气流,和飞机静止的时候容易造成发动机叶片失速。
亚音速高速气流
进气口扩散型将空气动压转成静压
飞机在飞行过程中,高速气流在通过扩散性进气口,导致空气减速动压减少,但是总压是不变的,所以使静压升高,这样有利于空气的进一步压缩,这个就是冲压效应。
前面提到,飞机在低速气流和地面情况下发动机运转,没有足够或者没有相对气流的情况下,发动机进气口在压缩机的吸力下会产生真空,导致发动机失速从而产生pumping简单就是,发动机内部燃烧压力往前冲,造成发动机振动,损伤叶片。
相对气流小产生失速风险
因此要求飞机发动机的进气口设计呈足够的圆形,和有幅度,有利于空气流的进入。并且在周围增加进气门,有利于飞机在地面启动有足够的气流进入,以防止发动机失速。
进气口圆形设计和进气门
进气口除冰装置
飞机在高速飞行时,由于空气的绝热膨胀,导致进气口温度降低容易造成发动机进气口边缘结冰,破坏进气气流,严重会造成发动机失速。
结冰的进气口和风扇叶片
因此飞机进气口装有除冰装置,其加热源方式是来自发动机的压缩空气,温度大约300℃。
进气口加热
其他对进气口影响
冰雹对空气进气口压力影响是很大的,冰雹不仅仅会破坏进气口的光滑度,还会损伤风扇叶片,更有甚者会堵塞发动机泄压口,引起发动机爆炸。
进气口被砸成伤痕累累
还有一个因素就是乱流,飞机在乱流的情况下,飞机不能得到稳定的进气流,也会造成失速,这就是为什么当年,王伟烈士在美国飞机干扰下飞机坠毁的原因,因为发动机仰角过大,进气压力不足,导致发动机失速坠毁,缅怀烈士。
因此飞机在起飞的情况下都会逆风起飞,为了更好让气流进入发动机。
雷暴
雷暴区域存在强大乱流,在没有极特别情况下,飞机都会绕飞。