渦輪發(fā)動機(jī)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)。文章主要介紹渦輪發(fā)動機(jī)的分類。
所有的渦輪發(fā)動機(jī)都具備壓縮機(jī)(Compressor)、燃燒室(Cumbustion)、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(shí)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(jì)而定,渦輪機(jī)和壓縮機(jī)一樣可分為高壓段與低壓段。
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)?;鸺l(fā)動機(jī)自帶氧化劑?;鸺l(fā)動機(jī)根據(jù)氧化劑和燃燒劑的形態(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)。
1、渦輪噴氣發(fā)動機(jī)
(主要用于戰(zhàn)斗,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(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn),是較早實(shí)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)民航機(jī)來說是個(gè)致命弱點(diǎn)。
2、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
(主要用于民用噴氣式飛機(jī)和轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)等,是應(yīng)用最為廣泛的渦輪發(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(shí)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(shí),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)、軍用運(yùn)輸機(jī)等最大速度為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(shí),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(shí)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(shí)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(shí),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(shí)較油耗低,開加力時(shí)推重比大的特點(diǎn)。
3、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);
4、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)
(主要用于導(dǎo)彈和靶機(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)。
雖然渦輪發(fā)動機(jī)可能有許多不同的運(yùn)作原理,但最簡單的渦輪型式可以只包含一個(gè)“轉(zhuǎn)子”(Rotor),例如一個(gè)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(shí)對扇葉施加的力量會帶動整個(gè)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,可以說是人類最早發(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)。http://m.fulinmenst.com/m/prod_view.aspx?TypeId=65&Id=186&Fid=t3:65:3&typefid=65如果將渦輪發(fā)動機(jī)反過來運(yùn)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)(compressor)與泵(pump 、)。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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)。
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