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1 # 使用者5920717376336
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2 # 何以笙丶丶
旋翼轉動時旋翼葉片上下兩表面流過的氣流流速差(葉片上表面氣流流速大於下表面上氣流流速)產生壓強差,從而葉片得到上升的升力。這個與固定翼飛機在飛行時產生升力、螺旋槳飛機螺旋槳產生的拉力的原理是一樣的。
旋翼轉動時旋翼葉片上下兩表面流過的氣流流速差(葉片上表面氣流流速大於下表面上氣流流速)產生壓強差,從而葉片得到上升的升力。這個與固定翼飛機在飛行時產生升力、螺旋槳飛機螺旋槳產生的拉力的原理是一樣的。
實用的噴氣式發動機主要可分為四類,渦噴、渦扇、渦槳、渦軸;前三者效率依次遞增,渦軸發動機不直接提供推力,主用於直升機。這裡主要討論前三種發動機效率高低,可以用牛頓定律和能量守恆定律做一個簡單的分析。飛機飛行中消耗的能量可分為有效能量和無效能量,有效能量即實際消耗在克服空氣阻力做功,使飛機能夠保持一定速度持續飛行所消耗的能量,無效能量即對飛機飛行沒有直接幫助而消散的能量。對有效能量做一個簡化,認為飛機不論安裝渦噴、渦扇或是渦槳發動機,其在相同速度下空氣阻力相同,故穩定飛行獲得的推力相同,而消耗的有效能量也就相同,故討論他們的效率高低,只要對比在提供相同大小的推力下,消耗的無效能量的大小即可。PS:實際三種發動機的阻力並不相同,在最後會做額外分析。我們知道,噴氣式發動機提供動力的來源是對空氣做功,使其加速向後噴出從而獲得反推力,根據衝量公式 F×t=m×V可知,決定發動機推力大小的主要因素,是單位時間內噴出氣體的質量和速度乘積,顯然,要想達到一定的推力,既可以提高噴射出的氣體速度,也可以增加噴射出氣體的質量,但其乘積不能變化。發動機消耗的無效能量,一小部分消耗在加熱發動機本體並不斷加熱周圍空氣,基本可忽略;而絕大部分被噴射出的氣體帶走,噴射走的氣體帶走的能量又可分為兩個部分,一個是氣體本身被加熱而帶走的內能,E=C×d×(T2-T1),或者簡化為E=d×m×ΔT,其中d為質量溫度係數,另一個部分是氣體噴射帶走的動能,E=1/2 × m × V×V。此外還有一小部分是燃料燃燒不夠充分而丟失的化學能,不過這一點在現代噴氣式發動機中基本無需考慮,進一步提高燃燒效率屬於高投入接近無回報的研究了。PS:為何噴射走的氣體帶走的熱能要計算,發動機加熱周邊空氣消耗的熱能無需計算,不必多做解釋吧顯然,減少無效能量可以從三個方向入手:1、降低排氣溫度,2、減少排氣質量,3降低排氣速度。其中與排氣質量、速度相關能量計算可變形為E=1/2 ×(m × V)× V,可以看出,在保持同等推力的情況下,不可能透過減少排氣質量的方法減少無效能量。結論:提高噴氣發動機的效率歸根結底只有兩條出路:1、降低排氣速度,2、降低排氣溫度進一步思考,如何實現這兩點?一個最簡單的方法,就是在將燃燒室出來的高溫氣體,混入大量的冷空氣,再噴出,就可以同時達到兩個目的,同時由於增加排氣質量,雖然降低了排氣速度,依然可以保持推力不下降,甚至透過良好的設計,還可以增大推力。所以,噴氣式發動機發展的歷程就出來了:1、最早的版本,就是現代的渦噴發動機的雛形,“簡單”的將空氣吸入,混油,燃燒,加速排出。2、為了提高推力,就要增加排氣速度,空氣吸入後先透過壓氣機增壓,再使用更好的燃料在燃燒室燃燒獲得更高的溫度,更熱的排氣,也就有了更高的排氣速度。3、燃燒室溫度不能無限上升,材料吃不住,就從壓氣機額外引出溫度稍高的氣體冷卻燃燒室,結果發現不但溫度下去了,在不提高排氣速度的情況下推力還增加了。4、進一步加大冷空氣的比例,最後索性單獨裝個大風扇專門向後吹冷空氣作為排氣,效率更好(渦扇發動機出現了)。5、隨著涵道比提高(不經過燃燒室的冷空氣提供的推力和燃燒後的高溫氣體提供的推力之比),進氣道太大了,乾脆就把原來包裹在進氣道內的大風扇拿出來,變成了螺旋槳。(渦槳發動機出現了)。所以噴氣式發動機的效率從渦噴、渦扇、渦軸越來越高,排氣速度和排氣溫度越來越低,排氣質量越來越高。但是,為什麼不拋棄渦噴發動機呢?渦扇發動機的一大標誌就是那個大風扇,我們知道在相同轉速的情況下,半徑越大,葉尖的線速度就越大,而當葉尖線速度接近音速時,葉尖阻力會劇增,同時還會帶來嚴重的激波顫動,具體的空氣動力學這裡不多分析,但是一般來說葉尖線速度不能超過音速太多,還必須使用特殊材料製作,而象渦槳發動機,螺旋槳葉片更長,而考慮成本使用的材料比渦扇的風扇要差,至多也就是持平,使用速度更受限制。風扇和螺旋槳都是由燃燒室出來的高溫燃氣衝擊渦輪帶動的,轉速受限--->排氣溫度受限--->排氣速度受限--->推力受限--->飛機最大速度受限。因此,渦槳發動機只能執行在亞音速,一般不會超過0.6馬赫,渦扇發動機只能執行在高亞音速,一般不超過0.85馬赫,低涵道比的可以用在跨音速,但在超過1.2馬赫以上的超音速領域,就只能用渦噴了,到了3馬赫以上,衝壓發動機就開始取代渦噴了。PS:以上劃分針對民用發動機,在新一代軍用發動機上,也開始使用小涵道比渦扇發動機,由於軍機有較長的特殊設計的進氣道,和使用更高成本的材料製作葉片,其渦扇發動機使用的速度領域會更廣。除此之外,前文說過,我們認為同一架飛機在安裝不同發動機時阻力相同,這實際上是理想化了,同樣推力的發動機,渦扇的迎風面積比渦噴大得多,最新一代的民用渦扇發動機Leap直徑就已經達到軍用同推力渦噴的三倍了,因此飛機選擇何種發動機需要綜合考慮。