2021-08-08 11:58:21

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喷气发动机(Jet engine)是一种通过喷气产生推力的反作用式发动机。大部分喷气发动机都是依靠牛顿第三定律工作的内燃机。广义上的喷气发动机包括火箭发动机和空气喷气发动机。火箭发动机的燃料和氧化剂均由飞行器携带,包括固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机, 特点是能在大气层外工作;空气喷气发动机不自带氧化剂而从大气中吸取空气作为氧化剂,包括冲压发动机、脉冲发动机、涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机等。在现代航空运输飞机上使用最多的空气喷气发动机是涡轮风扇发动机,其特点是推力大、噪声小和耗油率低。

基本信息

  • 中文名称

    喷气发动机

  • 外文名称

    Jet engine

  • 原理

    牛顿第三定律

  • 定义

    一种通过喷气产生推力的反作用式发动机

折叠 编辑本段 发展历史

自17世纪起,就有人尝试使用蒸汽动力或者内燃机实现可以使用的喷气式发动机,如荷兰物理学家惠更斯,以及后来的罗马尼亚人亨利·科安达的Coanda 1910。但是均以失败告终。

这个时期人们开始尝试混合式的喷气发动机。用一台常规的活塞发动机驱动风扇压缩空气,并在后面的空间里点燃燃气推进。这样的例子包括Coanda 1910、Campini Caproni CC.2、和日本用在神风特攻队的津-11发动机。这个时代的尝试被称为热喷射引擎(Moterjet)。这种发动机虽然结构简单,但是重量很大,推力不足,实用性很差。

解决问题的关键是使用由燃气驱动的涡轮来驱动压缩机,这样就可以省略掉热喷气引擎里面多余的活塞发动机并且提供更大的推力。这样的想法类似于燃气轮机。1903年挪威人Ægidius Elling发明了燃气轮机。但是这种技术还不能应用在喷气发动机上,因为当时的材料还不能生产这样的引擎,并且在安全性和连续工作性上还有很多问题。

其他的解决方法这时候也在进行着。奥匈帝国的Albert Fonó在1915年设计了一种通过燃气和压缩空气来提高炮弹射程的装置。这种装置通过变截面的进气道将炮弹高速飞行时的气流压缩并点燃,从而提供推力。奥匈帝国军队最终没有采取它的设计,于是他于1928年在德国注册了超音速冲压发动机的专利并在1932年获得通过。冲压发动机因此诞生。

1921年,法国人马克西姆·纪尧姆获得了第一个喷气发动机的专利。他的设计类似轴流式喷气发动机。1923年,美国国家标准局发表的一份报告怀疑了喷气发动机的作用。报告认为喷气发动机对于当时的低空飞行没有什么经济价值,甚至指出"任何可能的喷气推进器都没有什么实际价值,甚至在军事用途上。

1928年,英国克伦威尔皇家空军学院的弗兰克·惠特尔提出了新的喷气发动机设计。1930年1月,惠特尔提交了喷气发动机的设计专利并且在1932年获得了专利。惠特尔的设计是将两级轴流式压气机装在一个大型的离心式压气机前面,并由涡轮驱动。后来惠特尔去掉了前面的轴流压气机而使用一个更大的离心压气机。1937年这种发动机进行了实验,但是因为燃料泄漏故障而没有成功。因为英国政府没有兴趣,惠特尔的设计被搁置了。

与此同时,德国的汉斯·冯·奥安在德国进行着完全独立的设计。起初奥安的发动机是用电力驱动的,他的目的只是为了演示这种发动机的可行性。奥安后来加入了正在寻找喷气式发动机设计的亨克尔公司,并且试制了新的发动机。新的发动机最初使用氢作为燃料,后来改用了普通的航空燃料。他可以提供5kN的推力。1939年8月27日,飞行员Erich Warsitz驾驶着装着奥安喷气发动机的He-178从Rostock-Marienehe机场起飞。这是人类历史上第一架喷气式飞机。

使用离心式喷气发动机的英国喷气战斗机和使用火箭式和轴流式喷气发动机的德国战斗机都参加了第二次世界大战晚期的战斗。性能较为先进的德国喷气战斗机取得了优秀的战果。促使航空器在后来的时代迅速转向喷气时代。

折叠 编辑本段 推进原理

实际应用

喷气推进是英国著名物理学家艾萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士的第三运动定律的实际应用。该定律表述为:"作用在一物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力。"就飞机推进而言,"物体"是通过发动机时受到加速的空气。产生这一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在产生这一加速度的装置上。喷气发动机用类似于发动机/螺旋桨组合的方式产生推力。二者均靠将大量气体向后推来推进飞机,一种是以比较低速的大量空气滑流的形式,而另一种是以极高速的燃气喷气流形式。

著名例子

这一同样的反作用原理出现于所有运动形式之中,通常有许多应用方式。喷气推进原理最早的著名例子是公元一世纪作为一种玩具生产的古希腊人希罗的发动机。这种玩具表明从喷嘴中喷出的水蒸气的能量能够把大小相等方向相反的反作用力传给喷嘴本身,从而引起发动机旋转。类似的旋转式花园喷灌器是这一原理更为实用的一个例子。这种喷灌器借助于作用于喷水嘴的反作用力旋转。现代灭火设备的高压喷头是"喷流反作用"的一个例子。由于水喷流的反作用力,一个消防员经常握不住或控制不了水管。也许,这一原理的最简单的表演是狂欢节的气球,当它放出空气或气体时,它便沿着与喷气相反的方向急速飞走。

内部现象

喷气反作用绝对是一种内部现象。它不象人们经常想象的那样说成是由于喷气流作用在大气上的压力所造成的。实际上,喷气推进发动机,无论火箭、冲压喷气、或者涡轮喷气,都是设计成加速空气流或者燃气流并将其高速排出的一种装置。当然,这样做有不同的方式。但是,在所有例子中,作用在发动机上的最终的反作用力即推力是与发动机排出的气流的质量以及气流的速度成比例的。换言之,给大量空气附加一个小速度或者给少量空气一个大速度能提供同样的推力。实用中,人们喜欢前者,因为降低喷气速度能得到更高的推进效率。

它们的工作过程可归纳为:进气、压缩、燃烧、排气。

折叠 编辑本段 推进方式

不同类型的喷气发动机,无论冲压喷气、脉冲喷气、燃气轮机、涡轮/冲压喷气或者涡轮-火箭,其差别仅在于"推力提供者"即发动机供应能量并将能量转换成飞行动力的方式。

冲压喷气

冲压喷气发动机(Ramjet)实际上是一种气动热力涵道。它没有任何主要旋转零件,只包含一个扩张形进气涵道和一个收敛形或者收敛-扩张形出口。当由外部能源强迫其向前运动时,空气被迫进入进气道。当它流过这一扩散形涵道时,其速度或动能降低,而压力能增加。尔后,靠燃油的燃烧来增加其总能量,膨胀的燃气通过出口涵道高速排入大气。冲压喷气发动机常作为导弹和靶机的动力装置,但单纯的冲压喷气发动机不适于作为普通飞机动力装置,因为在它产生推力前,要求向它施加向前的运动。

冲压发动机本身没有活动的部分,气流从前端进气口进入发动机之后,利用涵道截面积的变化,让高速气流降低,并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室,与燃料混合之后燃烧。由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不绝的从前方进入,因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作,只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度,必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度,然后才点燃冲压发动机。

由于没有活动组件,冲压发动机与一般喷气发动机比较起来,重量较低,结构也比较简单,不过冲压发动机在低速时的气体压缩效果有限,因此低速时效率比较差。

冲压发动机适合的工作环境是在2马赫与以上的速度,最低启动也大约是此界线,随着速度逐渐增加,气体的冲压效应在3马赫时效率会大幅压过涡轮喷气发动机,而此时的涡轮喷气发动机受限于超温往往已经无法运作了,但是冲压发动机在燃烧的阶段,进气气流的速度仍然需要经过激波减速在音速以下,否则燃烧过程将无法维持。新一代的冲压发动机称为超音速燃烧冲压发动机(Scramjet),这种发动机的气流在燃烧阶段还是维持在音速以上的速度,在技术难度上更高,也是发动机公司发展的对象。

冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速,使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道(又称扩压器)、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机(也就不需要燃气涡轮),所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。

这种发动机压缩空气的方法,是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速,将动能转变成压力能(例如进气速度为3倍音速时,理论上可使空气压力提高37倍)。冲压发动机的工作时,高速气流迎面向发动机吹来,在进气道内扩张减速,气压和温度升高后进入燃烧室与燃油(一般为煤油)混合燃烧,将温度提高到2000一2200℃甚至更高,高温燃气随后经推进喷管膨胀加速,由喷口高速排出而产生推力。冲压发动机的推力与进气速度有关,如进气速度为3倍音速时,在地面产生的静推力可以超过2OO千牛。

冲压发动机的构造简单、重量轻、推重比大、成本低。但因没有压气机,不能在静止的条件下起动,所以不宜作为普通飞机的动力装置,而常与别的发动机配合使用,成为组合式动力装置。如冲压发动机与火箭发动机组合,冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。安装组合式动力装置的飞行器,在起飞时开动火箭发动机、涡喷或涡扇发动机,待飞行速度足够使冲压发动机正常工作的时,再使用冲压发动机而关闭与之配合工作的发动机;在着陆阶段,当飞行器的飞行速度降低至冲压发动机不能正常工作时,又重新起动与之配合的发动机。如果冲压发动机作为飞行器的动力装置单独使用时,则这种飞行器必须由其他飞行器携带至空中并具有一定速度时,才能将冲压发动机起动后投放。

脉冲喷气

脉冲喷气发动机(Pulsejet)采用间歇燃烧原理。与冲压喷气发动机不同,它能在静止状态工作。这种发动机是由类似冲压喷气发动机的一种空气动力涵道构成。它的压力较高,结构比较坚实。进气涵道有许多进气"活门",在弹簧拉力作用下处于打开位置,通过打开的活门空气进入燃烧室,并靠燃烧喷入燃烧室中去的燃油得到加热,由此引起的膨胀使压力升高,迫使活门关闭,然后膨胀的燃气向后喷出;排气造成降压,使活门重新开启。这种过程周而复始。脉冲喷气发动机曾经被设计成直升机旋翼的推进装置,有的还通过精心设计涵道来控制共振循环的压力变化而省去了进气活门。但脉冲喷气发动机不适于作为飞机动力装置,因为它的油耗高,又无法达到现代燃气涡轮发动机的性能。

火箭发动机

火箭发动机(Rocket)虽然也属于喷气发动机,但它们有重大区别。即火箭发动机不用大气作为推进流体,而用它携带的液态燃料或化学分解而形成的燃料与氧气剂的燃烧来产生它自己的推进流体,从而能在地球大气层外工作,但因此它也只适用工作时间很短的情况比较适合用于紧急动力系统。特点是推力大油耗高,不受工作速度影响。

涡轮喷气

涡轮喷气式发动机应用于喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点,因为采用了涡轮驱动的压气机,因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。涡轮喷气发动机按照"工作循环"工作。它从大气中吸进空气,经压缩和加热这一过程之后,得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒(610米/秒)或者大约1400英里/小时(2253公里/小时)的速度从推进喷管中排出。在高速喷气流喷出发动机时,同时带动压气机和涡轮继续旋转,维持"工作循环"。涡轮发动机的机械布局比较简单,因为它只包含两个主要旋转部分,即压气机和涡轮,还有一个或者若干个燃烧室。然而,并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性,因为热力和气动力问题是比较复杂的。这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。

飞机速度低于大约450英里/小时(724公里/小时)时,纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率,因为它的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度;因而,纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。然而,由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动,在350英里/小时(563公里/小时)以上时螺旋桨效率迅速降低。这些特性使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而采用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合 -- 涡轮螺旋桨式发动机。

涡轮螺旋桨发动机

涡轮螺旋桨发动机(Turboprop)的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机和桨扇发动机的引入所取代。

这些发动机比纯喷气发动机流量大而喷气速度低,因而,其推进效率超过了纯喷气发动机的推进效率。低速推力大,巡航速度相对涡轮喷气油耗低,介于涡扇与活塞螺旋桨之间。

涡轮冲压喷气

涡轮/冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机结合起来,在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道,前部具有可调进气道,后部是带可调喷口的加力喷管。起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下,发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式;当飞机加速到马赫数3以上时,其涡轮喷气机构被关闭,气道空气借助于导向叶片绕过压气机,直接流入加力喷管,此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机,在这些状态下,该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的,

涡轮/火箭发动机

与涡轮/冲压喷气发动机的结构相似,一个重要的差异在于它自备燃烧用的氧。这种发动机有一多级涡轮驱动的低压压气机,而驱动涡轮的功率是在火箭型燃烧室中燃烧燃料和液氧产生的。因为燃气温度可高达3500度,在燃气进入涡轮前,需要用额外的燃油喷入燃烧室以供冷却。然后这种富油混合气(燃气)用压气机流来的空气稀释,残余的燃油在常规加力系统中燃烧。虽然这种发动机比涡轮/冲压喷气发动机小且轻,但是,其油耗更高。这种趋势使它比较适合截击机或者航天器的发射载机。这些飞机要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而无须长的续航时间。

这种发动机可能很适合单级入轨火箭/飞机(SSTO)使用,因为它的比冲相对火箭发动机要高,但推力也足够大,可以在高空工作,所以还是很有发展前景的。

有一个特性就是这种发动机理论上可以在无氧大气环境下工作,因为它可以不和大气成分发生化学反应,所以这种发动机可能会用于未来的外行星飞机。

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