2019-05-13 10:52:31

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涡轮发动机(Turbine engine,或常简称为Turbine)是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式,是内燃机的一种。常用作飞机与大型的船舶或车辆的发动机。

基本信息

  • 组成

    压缩机、燃烧室、涡轮机

  • 喷气发动机

    主要用于战斗

折叠 编辑本段 组成

所有的涡轮发动机都具备压缩机(Compressor)、燃烧室(Cumbustion)、涡轮机(Turbine,也就是涡轮发动机之名的来源)三大部份。压缩机通常还分成低压压缩机(低压段)和高压压缩机(高压段),低压段有时也兼具进气风扇增加进气量的作用,进入的气流在压缩机内被压缩成高密度、高压、低速的气流,以增加发动机的效率。气流进入燃烧室后,由供油喷嘴喷射出燃料,在燃烧室内与气流混合并燃烧。燃烧后产生的高热废气,接着会推动涡轮机使其旋转,然后带着剩余的能量,经由喷嘴或排气管排出,至于会有多少的能量被用来推动涡轮,则视涡轮发动机的种类与设计而定,涡轮机和压缩机一样可分为高压段与低压段。

虽然涡轮发动机可能有许多不同的运作原理,但最简单的涡轮型式可以只包含一个"转子"(Rotor),例如一个带有中心轴的扇叶,将此扇叶放置在流体中(例如空气或水),流体通过时对扇叶施加的力量会带动整个转子开始转动,进而得以从中心轴输出轴向的扭力。风车与水车这类的装置,可以说是人类最早发明的涡轮发动机原型。

依照不同的分类方式,涡轮发动机也可以分类成很多不同的型式。例如以燃烧室与转子的位置是否在一起进行区别,就存在有属于外燃机一类的燃气涡轮发动机(Gas turbine)和属于内燃机一类的涡轮风扇发动机(Turbofan)。

如果将涡轮发动机反过来运作,则会变成一种输入力量之后可以将流体带动的设备,例如压缩机与泵。

有些涡轮发动机本身具有多组扇叶,其中部分是用于自流体汲取动力,部分是用于推动流体,二者不能混为一谈。举例来说在大部分的涡轮扇叶发动机与涡轮螺旋桨发动机中,位于燃烧室之前的扇叶实际的作用是用于加压进气,因此应被视为是一种压缩机。真正的涡轮机部分是位于燃烧室后方的风扇,被燃烧后的排气推动产生动力,再透过传动轴将力量输送至主扇叶(涡轮风扇发动机)或螺旋桨(涡轮旋桨发动机)处,推动其运转。

折叠 编辑本段 性能介绍

折叠 工作原理

涡轮增压发动机是一个空气压缩机,它利用发动机排出的废气作为动力来推动位于排气道内的涡轮,涡轮转动的同时带动位于进气道内同轴的叶轮,叶轮压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,高速的废气推动涡轮提速,废气排出速度与涡轮转速同步加快,空气压缩程度得以加大,发动机的进气量就相应地增加,气缸内燃烧更充分,动力输出就更高。

折叠 优势

内燃机是一种耗气机械,由于燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程一旦空燃比达到某一值后,再增加燃油,不但不会产生更多功率,还将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中。发动机供油越多黑烟就越浓。因此,当超过空燃比极限后,继续供油不但消耗更多燃油、使柴油机寿命缩短,还会严重污染大气。

涡轮增压的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高发动机的功率非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气而涡轮增压发动机由涡轮增压器向发动机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多所以允许喷入较多的燃油使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率或者说一台小排量发动机经增压后可产生与较大发动机相同的功率。由于涡轮增压器为发动机提供了更多的空气燃油在发动机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。其它还有节约燃油和降低排放等优点。

涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿发动机和涡轮增压器相匹配使进气管压力保持海平面大气压。而一台自然吸气的发动机随着海拔高度的增加其功率将下降。增压系统技术类型主要由以下几种。

折叠 编辑本段 主要分类

按照发动机燃料燃烧所需的氧化剂的来源不同可分为火箭发动机和空气喷气发动机。火箭发动机自带氧化剂。火箭发动机根据氧化剂和燃烧剂的形态不同,又分为液体火箭发动机和固体火箭发动机。

涡轮发动机近来也被用来用作大型发电机。

折叠 涡轮喷气发动机

(主要用于战斗机,以及超音速客机,例如协和号);

这类发动机具有加速快、设计简便等优点,是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力,则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比,这将会使排气速度增加而损失更多动能,于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大,对于商业民航机来说是个致命弱点。

折叠 涡轮风扇发动机

(主要用于民用喷气式飞机和轰炸机、预警机等,是应用最为广泛的涡轮发动机)

涡轮风扇发动机的妙处,就在于既提高涡轮前温度,又不增加排气速度。涡扇发动机的结构,实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮,这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样,送进压气机(术语称"内涵道"),另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出("外涵道")。因此,涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。这时,为提高热效率而提高涡轮前温度,可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径,使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道,从而避免大幅增加排气速度。热效率和推进效率取得了平衡,发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低,飞机航程变得更远。 从结构上看,目前涡扇发动机可分为单转子、双转子、三转子。

涡轮风扇发动机可以再细分为不加力式和加力式。前者不仅涡轮前温度较高,而且风扇直径较大,涵道比可达8以上,这种发动机的经济性优于涡轮喷气发动机,而可用飞行速度又比活塞式发动机高,在现代大型干线客机、军用运输机等最大速度为M0.9左右的飞机中得到广泛的应用。根据热机的原理,当发动机的功率一定时,参加推进的工质越多,所获得的推力就越大,不加力式涡轮风扇发动机由于风扇直径大,空气流量就大,因而推力也较大。同时由于排气速度较低,这种发动机的噪音也较小。加力式涡轮风扇发动机在飞机巡航中是不开加力的,这时它相当于一台不加力式涡轮风扇发动机,但为了追求高的推重比和减小阻力,这种发动机的涵道比一般在1.0以下。在高速飞行时,发动机的加力打开,外涵道的空气和涡轮后的燃气一同进入加力燃烧室喷油后再次燃烧,使推力可大幅度增加,甚至超过了加力式涡轮喷气发动机,而且随着速度的增加,这种发动机的加力比还会上升,并且耗油率有所下降。加力式涡轮风扇发动机由于具有这种低速时较油耗低,开加力时推重比大的特点。

涡轮螺旋桨发动机(主要用于螺旋桨飞机,很多旧型号的活塞式螺旋桨发动机后来都经改造安装上了涡桨发动机从而延长了飞行寿命);

涡轮轴发动机(主要用于直升机)

此外还有螺旋桨及风扇组合的浆扇发动机

从喷气推进方式来讲,还有:

冲压喷气发动机(主要用于导弹和靶机),采用间歇燃烧原理的脉冲喷气发动机,以及不同类型组合的发动机,如涡轮/冲压喷气发动机。

折叠 编辑本段 主要参数

发动机压力比:压力比是在发动机上两个不同地点之间的压力关系。

EPR=Pt7/Pt2(普惠公司JT系列)

EPR=Pt4.95/Pt2(PW4000系列)

发动机涵道比:是指涡轮风扇发动机通过外涵的空气质量流量与通过内涵的空气质量流量之比。涵道比为1左右是低涵道比发动机,2~3左右是中涵道比发动机,4以上是高涵道比发动机。

发动机排气温度:用EGT来表示。涡轮进口总温是发动机最重要、最关键的参数,但是由于这里温度高,温度场不均匀,目前实际是测量涡轮排气温度间接反映涡轮进口温度的高低,限制EGT以保证涡轮进口温度不超过限制。

风扇转速:用n1表示。对于高涵道比涡扇发动机,由于风扇产生推力占绝大部分,风扇转速也是推力表征参数,在驾驶舱显示。

通常部件有:进气道、风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、喷管以及附件传动部分。压气机、燃烧室组成核心发动机。

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