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资料补充:航空发动机进阶知识 (上半段)

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这一篇是接着上一篇入门知识来的。
在这一篇帖子里头,在下会对喷气式发动机的一些细节设计进行进一步的说明。
如果您对喷气机几乎一无所知,建议先去看入门知识。
(还是一样,先打在DOC里头,在贴过来。)




通过百度相册上传1楼2012-10-16 19:57回复
    正如上一个帖子,喷气式发动机大致可分为转子(外壳、燃烧室、加力燃烧室以及其他的伺服机构)和定子(压气机部分,燃气涡轮)两大部分。
    本帖中将以“遇到问题→分析原因→解决方案”的格式来写。
    一步一步的将上个帖子最后的“接近完成”的喷气机改造成“完成”的喷气机。


    2楼2012-10-16 19:58
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      我们知道,飞机向前飞,会出现机身前后的压强差。这实际上是飞行阻力的来源之一。
      大致是飞的越快,前面的气压就越高过后面的,阻力就越大。
      这个压强不光会造成飞行阻力,而且会影响发动机进气口的进气速度。
      显然,飞的越快,压强增加的进气速度就越快。
      而高速下和低速下的发动机(压气机)转速是不同的,进气速度当然也不同。
      最好是飞行速度与进气速度等同。而进气道形状与压气机各级的浆距是固定的,
      因此发动机也分低速发动机(运输机)和高速发动机(战斗)的分别。
      原本设计为高速飞行的飞机,现在低速飞行的话,因为设计问题,很自然就会出现进气速度比飞行速度还慢的情况。
      这意味着进气道里头,出现后面的气体压强比前面还大。
      这样的话,不就成从前面进气口喷气出来了么?
      因此进气道(压气机)内部的空气会不断的,前进后退前进后退...产生振动。
      这就是“喘震”现象。这一现象会使得发动机大幅振动,影响转子转动的平稳性,还会增加磨损,增加转动阻力...等等的坏处。


      3楼2012-10-16 19:58
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        为了解决这个问题,有人想到了在发动机压气机部分的外壳上打洞,然后安装上用可以电脑控制打开时机和打开大小的活门。
        具体的原理是,通过传感器来感应后面的压强是不是比前面的大,大多少,然后由电脑来自动控制活门什么时候打开,开多大。
        你不是后面的压强比前面的大吗?那就在后面开几个洞,放一部分的气体出来,那前后压强就平衡了。
        这样的设计确实很简单,也确实解决问题。
        不过,驱动压气机的能量来自于后面的动力涡轮。
        也就是说,吸进来的每一丝气体都是消耗了喷气机的输出功率了的。
        放出气体就等于放出了能量,这一方法是以损失能量为代价的。
        有没有更好的解决办法呢?


        4楼2012-10-16 19:58
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          改变压气机各级涡轮的浆距?低速飞行时,加大后面几级涡轮的浆距?
          不可能。那么多级涡轮,那么多叶片,这样的话控距铰的结构会复杂的一塌糊涂。
          (如果不知道“控距铰”为何物,建议去看在下的帖子,旋翼机入门知识。)
          而且转子转轴太细了,控距铰的可靠是个大问题。
          改变各级压气机涡轮的转速?低速飞行时,加快后面几级涡轮的转速?
          这个思路的结果就是多转子发动机。

          


          通过百度相册上传5楼2012-10-16 19:59
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            如上图。请注意发动机的转子部分,黄色和橙红色。
            图中的压气机一共有八级。其中,前五级安装在黄色转子上,而后三级安装在橙红色转子上。
            后面的动力涡轮一共有三级。其中第一级安装在橙红色转子上,而后两级安装在黄色转子上。
            橙红色转子就好像是一个套管一样,套在黄色转子上。两者之间可以随意的相对转动。
            这里轻允许在下将黄色转子成为“外转子”,橙红色为“内转子”。
            显然,这两个转子的转速是不相关的。
            通过这样的设计,可以一定程度上缓解前面提到的高速发动机低速飞行时的“喘震”现象。
            原理是这样的:


            6楼2012-10-16 20:00
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              燃烧室出来的燃气流到后面的燃气动力涡轮,显然是第一级动力涡轮所处的气体温度最高。
              自然,第一级动力涡轮处的气体膨胀速度最快,当然气体对第一级做得功最多。
              因此,高速飞行时,因为燃烧室马力全开,故动力涡轮前气体的温度与速度都较低速飞行时高。
              因此,气体对第一级动力涡轮做功后,还会有着比较高的剩余温度(剩余能量),可以供给后面的涡轮使用。
              这样,通过一定的动力涡轮的浆距设计,各级动力涡轮,各级压气机的转动角速度可以趋于持平。


              7楼2012-10-16 20:00
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                而低速飞行时,从燃烧室出来的气体温度还是较高,但流速较慢(因为压气机转的慢)。
                (简单说就是低速飞行时,燃烧室出来的气体温度和高速是是一样的,但是量较少。)
                因此,在给第一级动力涡轮做功后,留给后面几级涡轮的能量会相对较低。
                因此,低速飞行时,外转子的转速相对内转子的转速要明显的高。
                因此,后面几级(图中是三级)压气机的转速会比前面几级的要快。

                而这刚好就是我们希望发生的情况。


                8楼2012-10-16 20:01
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                  由上,有双转子发动机,当然就有三转子...N转子发动机,结构都是类似的。
                  据说三转子发动机的输出推力是双转子的1.2倍左右。
                  如图中,外转子其实就是一个安装了涡轮的管子。
                  而这种结构,内转子的传动机构(轴)也会变细,结构上变得不结实。
                  转子一多,磨损也会加大。
                  综上所述,双转子发动机在制造的技术要求,维护要求都比三转子要好。
                  因为技术限制(以材料问题为主),现在的喷气机还是以双转子的多。


                  9楼2012-10-16 20:01
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                    最后加一点,这内外一对转子通常都是设计成同向转动的。
                    因为同向转动可以减少转子之间的相对转动速度,可以减少摩擦,减少磨损。
                    反过来,如果设计成同轴反转就会加大摩擦和磨损,而同样的转速下,两种的推力输出没有明显变化。

                    以上,这就是双转子(多转子)喷气式发动机。


                    10楼2012-10-16 20:01
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                      转子改造完了,现在轮到定子了。
                      为了增加燃烧效率,需要增加燃烧室内部的气体压强。
                      而如上图,气体撞到燃烧室上,增加的是燃烧室进气口处得气体压强。
                      虽然这样燃烧室内部的气体压强也会加大,但是“撞”这种加压方法会损失较多的能量。
                      而且燃烧室的开口是前后贯通的,气体长驱直入,流速如此快,火焰会变得不安定,容易熄灭。
                      总之,我们需要做的是:
                      ①,增加燃烧室内部气体压强。
                      ②,同时降低损失的能量。
                      ③,还要使得火焰趋于稳定。


                      11楼2012-10-16 20:02
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                        怎么做呢?

                        使火焰稳定,其实就是降低火焰附近的气体流速。
                        我们可以通过设计一个挡风屏来实现。同时,为了有足够的新鲜空气供给燃烧,挡风屏上要开一些细小的洞。

                        降低损失的能量,其实就是降低空气阻力。
                        挡风屏可以设计成锥状的,同时,整个燃烧室的气动外形也要优化。

                        增加燃烧室内部气体压强,其实就是使得更多的(最好是所有的)气体都进入燃烧室。
                        也就是说,燃烧室的排列要尽可能的紧密。
                        同时,燃烧室紧密排列也可以使得气体对后面的动力涡轮,在各个径向相位上的作用力趋于持平。
                        动力涡轮受力更稳定,工作环境更稳定,这一切都对提高工作转速,以及提高工作寿命有利。


                        12楼2012-10-16 20:02
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                          如上图,大概就是这样的感觉。需要说明的是,在下偷懒没有开洞...
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                          通过百度相册上传13楼2012-10-16 20:03
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                            实物大概是这个样子:
                            安装在发动机上的样子:

                            (哎,在下这渣建模...燃烧室内壁的内径比转子的外径还小...大家知道是怎么回事就好了啊。


                            通过百度相册上传15楼2012-10-16 20:06
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                              不过这样的燃烧室也带来了一个问题。燃烧室薄薄的内外壁,包括火焰罩,都需要用耐高温的材料来做。
                              但是,有什么金属材料又轻又耐高温还耐高压呢?钛合金虽然很给力,不过熔点也不过一千六左右啊?
                              金属材料是无法把这一设计的优势发挥到极致的。
                              所以,这样的形状通常是需要用陶瓷之类的非金属来做。
                              而为了保证陶瓷燃烧室和金属外壳之间不漏气和受力均匀,陶瓷的尺寸需要控制的非常严格,而且还不能用一般的陶瓷。
                              (需要承受高压。)
                              显然这样的陶瓷燃烧室的制造难度是相当高的。而且,陶瓷的燃烧室一旦损坏就无法修复,只能换新的。
                              故这样的燃烧室勿论是制造还是保养都非常复杂麻烦,而且最重要的是,昂贵。
                              这就是这一设计的问题。不过,随着非金属材料的发展,这一问题已近渐渐变得不是问题了。
                              一些比较先进的固定翼,比如家喻户晓的氟二十二,还有J10的发动机的燃烧室,都是环状的。
                              不过出于对经济性(维护费用)的考虑,也不是所有的喷气机都是环形陶瓷燃烧室,比如747就是钟形金属。


                              16楼2012-10-16 20:06
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