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1 # 月上中天10
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2 # 諸葛小徹
渦噴發動機透過讓燃料和空氣混合燃燒,把產生的高溫氣體透過噴管向後噴出後,利用產生的反力獲得推力。所有的渦輪發動機都是用這個基本原理。雖然人們在渦噴發動機基礎上開發出了渦扇發動機、渦軸發動機和渦槳發動機等發動機,但它們的結構實際上大同小異,都由壓氣機,燃燒室,渦輪和進排氣系統五個部分組成。進氣系統吸入空氣,壓氣機將空氣壓縮,燃燒室使燃料在空氣裡燃燒,渦輪從高速流動的燃氣裡獲得轉動能量,排氣系統排氣產生推力。
在這五大件中,渦輪是所有種類發動機裡最重要,也是工作條件最惡劣的零件。渦輪的任務是從氣流裡獲得旋轉能量,並傳遞給前面的壓氣機,它直接面對著剛從燃燒室裡出來的1000°以上溫度和近300米每秒高速運動的氣流,在溫度和受力上都非常極端,因此渦輪的效能就影響了整個發動機的效能,對渦扇發動機和渦軸發動機也是如此。
渦輪的設計裡,散熱系統是特別重要的一部分。工程師們在渦輪的散熱裡投入了極大的精力,最終設計出了氣膜散熱系統。渦輪葉片不是實心的,裡面遍佈著複雜的微小的通道。發動機工作時,壓氣機從進氣系統裡吸入冷氣,利用發動機的空心的主軸向後輸送,透過葉片裡的通道進入渦輪輪盤和上面固定的葉片裡。葉片表面佈滿小孔,冷氣從小孔裡噴出,把葉片和外面的高溫燃氣隔開,同時帶走葉片的熱量。透過這種方式,葉片才能存活在這麼極端的環境下。
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3 # 一坑四彈
冷卻系統是必需的,任何發動機都是熱機的一種,只要是熱機就需要冷卻,冷卻不好,很快就要壞掉。即使是裝在拖拉機上的單缸柴油機都需要用水來冷卻,何況工作溫度幾千度的渦扇發動機,如果沒有冷卻系統,分分鐘燒燬報廢。
發動機需要冷卻的部分主要有渦輪、燃燒室、火焰筒等高溫部件,冷卻介質為空氣。渦扇發動機的燃燒室之前的部分由於溫度不高稱為冷端,冷端部分空氣雖然經過壓縮,溫度有所上升,但上升不是很高,靠金屬本身的效能就可以撐得住。熱端中尾噴口和火焰筒雖然工作溫度很高但不是運動部件,靠外涵道引入的冷空氣就可以進行冷卻。高低壓渦輪工作環境最為惡劣,工作溫度最高,是渦扇發動機冷卻系統設計的難點和重點。
目前渦輪冷卻採取的主要冷卻方法有對流冷卻、衝擊冷卻、氣膜冷卻,簡單介紹一下這三種冷卻方式。
對流冷卻指從外涵道引入冷空氣,利用冷熱空氣的對流降低渦輪前燃氣溫度,從上圖可以看到,從壓氣機進來的冷空氣並不是全部參與燃燒室燃燒,一部分冷空會與燃燒室燃燒後的燃氣進行混合,降低了燃氣溫度。
渦輪葉片的中空結構
衝擊冷卻是指利用冷空氣對渦輪葉片進行強制冷卻。現代渦扇發動機渦輪前溫度T4一般都在2000K左右。如此高的溫度,必須要對渦輪葉片進行精密的冷卻設計。渦輪葉片全部都為中空設計,渦輪葉片底部開有槽孔,從壓氣機引入的冷空氣經過槽孔進入渦輪葉片,渦輪葉片中含有精確設計的冷卻通道,冷空氣流過,帶走大部分熱量,防止渦輪葉片被燒燬。
氣膜冷卻也很好理解,在渦輪葉片表面開有很多細密的氣孔,渦輪葉片工作時,源源不斷的空氣從氣孔噴出,在渦輪葉片表面形成一層氣膜,可以有效隔絕熱量,防止燃燒室火焰直接衝擊渦輪葉片表面。
燒壞的渦輪
渦輪葉片的冷卻方式主要是這三種,當然最根本的是提高渦輪葉片的抗高溫程度,現代渦扇發動機普遍採用了單晶高溫合金、鎳基高溫合金、“錸”高溫合金材料、陶瓷基高溫合金等等。高溫合金再配合完善的冷卻系統,渦輪葉片才可以可靠的工作,只要冷卻系統失效,渦輪葉片幾十秒就會被燒燬。
渦噴,渦扇,渦軸,渦槳發動機,以及船用燃氣輪機,發電用燃氣輪機等,燃燒室及渦輪葉片的溫度比內燃機高多了,是不是也需要像內燃機一樣有冷卻系統?但航空噴氣發動機的結構圖沒看到冷卻系統啊?
回覆列表
需要,並且比活塞發動機更復雜,這也是渦輪機的設計難度較大的原因之一。
渦輪機的冷卻主要是用於降低葉片的溫度,目前的技術,燃燒室的溫度已經超過葉片的熔點,沒有冷卻,葉片就融化了。因此,葉片要中空,用空氣在葉片裡面高速流動,降低溫度,這個技術很難,葉片是曲線的,怎麼讓葉片均勻冷卻,又不妨礙葉片的強度,是渦輪機的關鍵技術之一。
其次,冷卻潤滑油,活塞發動機的很多型號也會有潤滑油冷卻系統,靠滑油箱外壁自然散熱是跟不上的。
渦輪機工作溫度更高,轉速更快,潤滑油冷卻要求是非常高的。