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略談噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)與工作原理(圖文)


眾所周知,戰(zhàn)斗機的心臟就是發(fā)動機,一款好的發(fā)動機可以使戰(zhàn)斗機身強力壯。本期武器的秘密為大家介紹各種噴氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,并對比分析美英法俄和國內(nèi)幾款主流發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與特點。



 
最簡單的噴氣發(fā)動機是沖壓發(fā)動機,其結(jié)構(gòu)類似煙囪,只不過出口更小以增大排氣速度。與氣球噴氣飛行原理相同,在發(fā)動機噴口處產(chǎn)生一個高速的噴氣,從而產(chǎn)生一個反作用力推動飛機飛行。這種發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低,缺點是無法直接從靜止狀態(tài)下起飛,通常用作導(dǎo)彈的動力。



 
在沖壓發(fā)動機燃燒室前后增加渦輪與壓氣機就變成了渦噴發(fā)動機。燃氣渦輪發(fā)動機是使用空氣作為提供推力的工作流體,必須增加通過發(fā)動機的空氣的速度產(chǎn)生動能。從燃燒室出來的高溫高壓燃氣首先沖擊渦輪,渦輪繼而帶動壓氣機繼續(xù)壓縮空氣,以此不斷循環(huán)。



我國比較有代表性的渦噴發(fā)動機是WP-6,渦輪前燃氣溫度 1143K(870℃),軍用推力25.5KN,加力推力31.8KN 推重比4.59。該發(fā)動機安裝在了J-6,Q-5兩型飛機,WP-6及其改型是我國生產(chǎn)量最大的發(fā)動機,估計總數(shù)在7000臺左右。



 
為克服渦噴發(fā)動機油耗高,噪音大的缺點,人們又發(fā)明了渦輪風扇發(fā)動機。即在渦噴發(fā)動機的前部增加一個低壓風扇,使部分空氣通過外涵道繞過高壓壓氣機、燃燒室與渦輪直接到噴管排出發(fā)動機。渦輪風扇發(fā)動機油耗更低,推力更大,噪音也更小,是目前使用最廣泛的噴氣式發(fā)動機。



 
涵道比是渦扇發(fā)動機的重要概念:通過外涵道的冷空氣流量與通過高壓系統(tǒng)的空氣流量的比值。在涵道比為5.0左右的渦扇發(fā)動機中,外涵道產(chǎn)生的推力能占總推力的80%左右。高涵道比大推力渦扇發(fā)動機是目前大客機的唯一選擇,涵道比一般在5-7之間。戰(zhàn)斗機的涵道比一般小于1。



為使高壓部分與低壓部分協(xié)調(diào),目前多數(shù)渦扇發(fā)動機采用雙轉(zhuǎn)子。即發(fā)動機內(nèi)有兩個轉(zhuǎn)軸,低壓轉(zhuǎn)軸與高壓轉(zhuǎn)軸:前者包括低壓風扇和低壓渦輪一個轉(zhuǎn)軸,后者包括高壓壓氣機與高壓渦輪一個轉(zhuǎn)軸。高壓渦輪帶動高壓壓氣機,低壓渦輪帶動低壓壓氣機/風扇。兩轉(zhuǎn)軸各自工作在最佳的轉(zhuǎn)速上。



為獲得更高的推力,更低的油耗和噪音,人們在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎(chǔ)上研究了3轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機,增加了一個中壓轉(zhuǎn)子,這樣可以提高轉(zhuǎn)速,減少壓氣機總級數(shù),更高效的利用渦輪的能量。3轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此目前使用并不廣泛。英國羅羅公司在三轉(zhuǎn)子發(fā)動機領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。



另一種提高渦扇發(fā)動機性能的技術(shù)是壓氣機風扇傳動齒輪箱技術(shù)。即在低壓壓氣機與風扇間安裝一個傳動齒輪箱,把壓氣機的高轉(zhuǎn)速降低為風扇的低轉(zhuǎn)速。這樣在降低風扇轉(zhuǎn)速的同時進一步加大了風扇的尺寸,而又不影響壓氣機的壓縮效率。目前的代表產(chǎn)品是普惠的PW1000G系列發(fā)動機。



 
軍用渦扇發(fā)動機與民用型的最大區(qū)別是有加力后燃器,即在發(fā)動機低壓渦輪后方再加一個燃燒室,使低壓渦輪出來的高溫燃氣再次與燃油混合二次燃燒,短時間內(nèi)使推力提高2倍。從外觀上判斷發(fā)動機是否具備加力燃燒室就看尾噴管是固定的還是可收擴的,無加力燃燒室的發(fā)動機噴管是固定的。



俄羅斯的D-30渦扇發(fā)動機是一款有代表性的軍民兩用發(fā)動機,其帶加力燃燒室的版本為D-30F6,主要應(yīng)用于MIG-31,D-30KP用于IL-76運輸機、轟6-K轟炸機和運-20運輸機,民用版本(不帶加力燃燒室)如D-30KU-154,用于圖-154客機等。



渦輪風扇發(fā)動機啟動的順序一般是先通過輔助動力單元APU的小發(fā)動機來帶動低壓壓氣機或直接推動高壓渦輪轉(zhuǎn)動到能維持工作循環(huán)的轉(zhuǎn)速。在地面冷啟或在臺架上維修發(fā)動機時,可用發(fā)動機啟動車來提供高壓氣流吹動附件機匣上的小渦輪啟動發(fā)動機壓氣機,帶動高壓渦輪達到工作轉(zhuǎn)速。



燃氣渦輪發(fā)動機的高壓核心機部分(高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪)可加裝大口徑低壓風扇成為民用發(fā)動機,加裝螺旋槳變?yōu)闇u漿發(fā)動機,加裝旋翼變?yōu)闇u軸發(fā)動機。帶動艦船螺旋槳就成為船用燃氣輪機。美國M1坦克就使用了AGT1500燃氣輪機,是世界首個使用燃氣輪機的主戰(zhàn)坦克。



 
發(fā)動機測試中的高空臺全稱高空模擬試驗臺,目的是在地面模擬高空飛行條件,從而驗證和考核發(fā)動機的高空飛行特性。位于秦嶺的SB101是我國唯一的發(fā)動機高空模擬試驗臺,為亞洲第一。日用電量相當于一個250萬人口的城市,冷卻設(shè)備用水日消耗量相當于一個450萬人口的城市。

 


目前我國研制成功的比較有代表性地軍用渦扇發(fā)動機如下幾款。WS-9秦嶺,基于英國羅羅公司的斯貝,是JH7的動力。 WS-10太行是我國自主研制的首款大推力渦扇,目前應(yīng)用于J11B、J15、J10B上。WS-13泰山設(shè)計基于RD-33,大部分零件與RD-33通用。



發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域還有一種變循環(huán)技術(shù),即綜合不同發(fā)動機的工作特性于一身。首先是黑鳥所使用的普惠J58變循環(huán)發(fā)動機是把渦噴發(fā)動機和沖壓發(fā)動機融合在一起。黑鳥因此可達到3.2馬赫的高速。此外GE YF120發(fā)動機也是變循環(huán)發(fā)動機,但最終由于技術(shù)難度過大被取消。



在軍用發(fā)動機領(lǐng)域,美國的普惠和通用動力代表了當今世界的最高水平。相比之下歐洲的EuroJet公司雖為多國聯(lián)合卻僅能排第二梯隊。EuroJet的EJ200加力推力為90KN,推重比9.3,而普惠的F135-PW-100達到了加力推力190KN,推重比11.46。



目前我國研制中的WS15是推重比10級別的四代機發(fā)動機,裝機對象是我國的J20,可不開加力使J20超音速巡航。其設(shè)計目標為超越F119發(fā)動機。資料稱WS15設(shè)計加力推力為197KN,這比F119推力增大了27%,達到了F135的水平。
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