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求涡轮喷气发动机工作原理??

2016-07-30  1菩提1
由于早期的飞机动力是来自于螺旋桨,大家可能对于螺旋桨推进的原理根深蒂固,从而对喷气试发动机的原理感到摸不到头脑。本文的另一目的就是叫大家认清这两种推动方式的内在区别。 一在讲述正题之前,需要大家复习几个简单的物理概念。 一作用力等于反作用力,简化说就是当你推墙的同时,是可以理解为墙在推你。F作用力=F反作用力好,由于在自然条件下干扰我们思维的因素太多(比如空气阻力呀,重力呀,等等),所以我们把场景搬到太空,是没重力也没阻力的理想环境。大家知道,如果我们在太空中抛出一个球,在球出手之后,由于人给了球一个推力,使其加速飞离你而去。但由于作用力等于反作用力,你本身也会受到球的一个推力,并且把你反向加速。OK,下面我们做一个设想,假设你在太空坐在一个铁桶里,用安全带把你和铁桶固定在一起,而铁桶里有很多小孩玩的玻璃球,你不停的用弹弓把玻璃球向同一个方向弹射出去,在玻璃球被加速的同时,根据上面说的原理,你是会被反方向的加速的。并且,你弹射出去的玻璃球越重,玻璃球的加速越大,你获得的反方向加速就越大,按照这一原理,只要你不停的弹射出玻璃球,你就会被持续的加速,高速飞离太阳系的。嘿嘿。在这,引入我们的第2个公式:物体的受力的多少与物体的质量和加速度成正比,F=Ma,好,现在把气体的分子看成小玻璃球,去试图理解火箭发动机的工作原理。由前面的原理,我们知道,只要有质量的物体以高速反方向射出,我们就会得到前进的动力。
问题的关键就在于如何把物体加速,玻璃球的例子我们用的是弹弓。而火箭用的是燃烧!火箭通过燃料的燃烧把燃料与氧化剂变成最终的气体,而由于燃烧同时带来的高温,把燃烧气体自身加热,而气体本身的热涨冷缩,在单一方向的排放口的情况下把气体分子(带有质量)加速,高速飞离火箭,使火箭获得动力。(燃料工作原理部分这样写纯粹是为了简化问题,使大家看的更清晰,而真正情况下,那些现象几乎是同时发生的)。以上说了很多,只是为了叫大家巩固知识,为最终解释涡轮发动机扑平道路。 好,我们已经知道了,只要有质量的物体以高速射出,我们就能获得反方向的推力,在物体质量不变的情况下,物体的加速度越高,我们获得的推力越大。现在我们回到现实世界,我们怎么去制作我们的推进引擎呢?用弹弓射弹球么?呵呵,显然,利用燃烧,把气体加热进而加速的方法是比较好的。并且,与在太空中不同,我们的周围充满了空气,那我们在燃料燃烧变成气体加热加速的同时(类似火箭发动机)把大气里的空气吸进来加热加速,与燃料燃烧后的气体同时喷射出去,不是就能获得更大的动力了么?(F=MA,速度不变,重量增加)而这个装置就叫做:燃气轮机(gas turbine)首先需要说明的是,这个示意图是简化了加热空气(俗称加力燃烧),它只是从大气中吸取部分氧气,与航空燃料燃烧,然后喷射而维持其自身运转的内核装置。 
下面我描述一下的它的工作原理:压缩机吸入空气并使其增压,(大家还记得初中物理的压燃实验么?气体被压缩后温度变高,可以点燃玻璃管里的绒布。)高压气体进入燃烧室,与燃料混合后强烈燃烧。燃烧后的高温高压气体通过涡轮机,推动涡轮加速旋转,使一部分势能转换成涡轮转动的机械能,通过传动带动压缩机继续工作。接着被热加速的高速气体分子(气流)通过排气口进入大气,形成真正的动力。可见,由于气体最终速度取决气体的膨胀程度,而膨胀程度有取决于气体本身的温度,是越高越好的。但是,由于材料的问题,我们不能找到更加耐热的材料,一般的温度控制在1000度左右。而要使燃气轮机的效率更高的一个条件就是找到更好的耐热材料。好,通过上面陈繁的叙述,终于可以谈到主角了,对,航空涡轮喷气发动机。 三涡轮喷气发动机(turbo jet)由于前面已经说了很多,如果大家真的看懂了前面的话,我想大家应该可以自己设计出涡轮喷气发动机了,注意,是设计,不是制造。嘿嘿前面说过,我们周围有大气,我们的涡轮机通过从大气中提取燃烧所需的痒气,加热气体分子,那么,我们可不可以用燃气的热量去加热空气呢?(F=MA,速度不变,重量增加,加速更多的空气分子)这个装置就是是今天的主角,涡轮喷气发动机了。工作原理:压缩机(高低压风扇组)吸入空气并使其增压。一部分高压气体进入燃烧室,与燃料混合后强烈燃烧。燃烧后的高温高压气体通过涡轮机,推动涡轮加速旋转,使一部分势能转换成涡轮转动的机械能,通过传动带动压缩机继续工作。
另一部分气体直接进入加力燃烧室进行2次燃烧(就是加热大气分子的过程),此时加力燃烧室内的被加速的空气分子以极大的能量通过可调尾喷管喷射而出,形成强大的推力!能量有多大呢?中小型涡轮喷气发动机的推力可达2000-80,000牛,大型的可以突破10W牛,一架2马赫的重型轰炸机的发动机功率约为7W千瓦,如果用来发电足以满足一个中型城市的用电量。厉害厉害,我们得感谢它的发明人英国的惠特尔爵士。从发动机的入口到出口之间,气流在各处的流速不同,速度为2马赫的发动机喷口处的气流速度越为700~800M/秒。值得一说的就是,发动机的转子平均要以1万转/秒的速度旋转,产生极大的离心力,所以要求部件要有非常好的强度,涡轮叶片在高速转动中离心力可打10万牛,如果粉碎就会爆炸,能击穿1厘米厚的钢板。说道这里,我想罗嗦一句,我相信大家通过我上面的解说,应该可以大致的了解了涡轮发动机的原理了,也就是说,是个很好理解的概念,而真正困难的地方在于制造,要有大量的其他的技术铺垫,比如,材料力学,耐温材料,精密加工,等等等等,而这些技术是要靠不停的实验,积累,改进工艺才能做到的,也就是说,设计是很容易的事情,再此我也要驳斥那些企图通过不停的设计来保持先进水平的人,那纯粹是幻想!比如航母。OK,涡轮喷气发动机算是写完了,最后在略微的谈一下涡扇喷气发动机。 四涡扇喷气发动机(FAN-JET)涡扇发动机可以理解(不一定精确)为在压气机前加装可控风扇型涡轮发动机。它通过传感器与可调角度的风扇转子通过与电脑的连接,达到最佳的进气效果,进入压气机的气流非常平稳,并且能量损失极小。经过风扇后的空气压强可加大1-2倍,然后在进入压气机与加力燃烧室。 

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