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2021-04-15 16:53
渦輪風扇發動機的工作原理?
6
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1 # 使用者2601102308017
渦扇發動機全稱為渦輪風扇發動機(Turbofan)是飛機發動機的一種,由渦輪噴氣發動機(Turbojet)發展而成。
與渦輪噴氣比較,主要特點是首級壓縮機的面積大很多,同時被用作為空氣螺旋槳(扇),將部分吸入的空氣透過噴射引擎的外圍向後推。發動機核心部分空氣經過的部分稱為內涵道,僅有風扇空氣經過的核心機外側部分稱為外涵道。渦扇引擎最適合飛行速度400至1,000公里時使用,因此現在多數的飛機引擎都採用渦扇作為動力來源。渦扇引擎的旁通比(Bypass ratio,也稱涵道比)是不經過燃燒室的空氣質量,與透過燃燒室的空氣質量的比例。旁通比為零的渦扇引擎即是渦輪噴氣引擎。早期的渦扇引擎和現代戰鬥機使用的渦扇引擎旁通比都較低。例如世界上第一款渦扇引擎,勞斯萊斯的Conway,其旁通比只有0.3。現代多數民航機引擎的旁通比通常都在5以上。旁通比高的渦輪扇引擎耗油較少,但推力卻與渦輪噴氣引擎相當,且運轉時還寧靜得多。渦槳發動機的推力有限,同時影響飛機提高飛行速度。因此必需提高噴氣發動機的效率。發動機的效率包括熱效率和推進效率兩個部分。提高燃氣在渦輪前的溫度和壓氣機的增壓比,就可以提高熱效率。因為高溫、高密度的氣體包含的能量要大。但是,在飛行速度不變的條件下,提高渦輪前溫度,自然會使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時動能損失大。因此,片面的加大熱功率,即加大渦輪前溫度,會導致推進效率的下降。要全面提高發動機效率,必需解決熱效率和推進效率這一對矛盾。渦輪風扇發動機的妙處,就在於既提高渦輪前溫度,又不增加排氣速度。渦扇發動機的結構,實際上就是渦輪噴氣發動機的前方再增加了幾級渦輪,這些渦輪帶動一定數量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣,送進壓氣機(術語稱“內涵道”),另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此,渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時,為提高熱效率而提高渦輪前溫度,可以透過適當的渦輪結構和增大風扇直徑,使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道,從而避免大幅增加排氣速度。這樣,熱效率和推進效率取得了平衡,發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低,飛機航程變得更遠。由噴管排出燃氣和風扇排出空氣共同產生反作用推力的燃氣渦輪發動機。渦輪風扇發動機由風扇、壓氣機、燃燒室、驅動壓氣機的高壓渦輪、驅動風扇的低壓渦輪和排氣系統組成。其中壓氣機、燃燒室和高壓渦輪三部分統稱為核心機,由核心機排出的燃氣中的可用能量,一部分傳給低壓渦輪用以驅動風扇,餘下的部分在噴管中用於加速排出的燃氣。風扇轉子實際上是 1級或幾級葉片較長的壓氣機,空氣流過風扇後,一部分流入核心機稱為內涵氣流由噴管高速排出產生推力,另一部分圍繞核心機的外圍流過,稱為外涵氣流,也產生推力。這種有內外二個涵道的渦輪風扇發動機又稱為內外涵發動機。流經外涵和內涵的空氣流量之比稱為涵道比或流量比。涵道比對渦輪風扇發動機效能影響較大,涵道比大,耗油率低,但發動機的迎風面積大;涵道比較小時,迎風面積小,但耗油率大。內外涵兩股氣流分開排入大氣的稱為分排式渦輪風扇發動機。內外涵兩股氣流在內涵渦輪後的混合器中相互滲混後透過同一噴管排入大氣的,稱為混排式渦輪風扇發動機。渦輪風扇發動機也可安裝加力燃燒室,成為加力渦輪風扇發動機。在分排式渦輪風扇發動機上的加力燃燒室可以分別安裝在內涵渦輪後或外涵通道內,在混排式渦輪風扇發動機上則可裝在混合器後面。核心機相同時,渦輪風扇發動機的工質(工作介質)流量介於渦輪噴氣發動機和渦輪螺旋槳發動機之間。渦輪風扇發動機比渦輪噴氣發動機的工質流量大、噴射速度低、推進效率高、耗油率低、推力大。50年代發展的第一代渦輪風扇發動機,其涵道比、壓氣機增壓比和燃氣溫度都較低,耗油率比渦輪噴氣發動機僅低25%左右,大約為 0.06~ 0.07公斤/牛·時(0.6~0.7公斤/公斤力·時)。60年代末、70年代初發展了高涵道比(5~8)、高增壓比(25~30)和高燃氣溫度 (1600~1750K)的第二代渦輪風扇發動機,耗油率降低到0.03~0.04公斤/牛·時(0.3~0.4公斤/公斤力·時),推力則高達200~250千牛(20000~25000公斤力)。高涵道比渦輪風扇發動機的噪聲低,排氣汙染小,多用作大型客機的動力裝置,這種客機在11公里高度的巡航速度可達950公里/時。但這種高涵道比的渦輪風扇發動機的排氣噴射速度低,迎風面積大,不宜用於超音速飛機上。有些殲擊機使用了小涵道比、帶加力燃燒室的渦輪風扇發動機,在亞音速飛行時不使用加力燃燒室,耗油率和排氣溫度都比渦輪噴氣發動機低,因而紅外輻射強度較弱,不易被紅外製導的導彈擊中。使用加力作2倍以上音速的飛行時,產生的推力可超過加力渦輪噴氣發動機,地面標準大氣條件下的推重比已達8左右。1. 渦噴發動機 進氣道進氣---壓氣機增壓---燃燒室加熱---渦輪膨脹作功帶動壓氣機---尾噴管膨脹加速---排氣到體外 發動機轉起來之後,壓氣機源源不斷地把壓縮了的空氣送到後面的燃燒室,在燃燒室裡空氣和燃油混合燃燒,向後排出高溫高速高壓氣體,這些氣體帶動渦輪旋轉,渦輪和壓氣機是用軸連在一起的,因此渦輪旋轉了,壓氣機也跟著旋轉,就不斷地把空氣壓縮排去了 2. 渦輪風扇發動機 2.1分開排氣渦輪風扇發動機 進氣道進氣--風扇增壓--氣流分為兩股 內涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風扇和壓氣機--內涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外 外涵氣流:外涵道--外涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外 我們常見的民航客機所採用的發動機,多半是分別排氣渦輪風扇發動機,比如著名的V2500,PW4000,GE90.... 2.2混合排氣渦輪風扇發動機 進氣道進氣--風扇增壓--氣流分為兩股 內涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風扇和壓氣機--混合器 外涵氣流:外涵道--混合器 兩股氣流在混合器中摻混--尾噴管膨脹加速--排氣到體外
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渦扇發動機全稱為渦輪風扇發動機(Turbofan)是飛機發動機的一種,由渦輪噴氣發動機(Turbojet)發展而成。
與渦輪噴氣比較,主要特點是首級壓縮機的面積大很多,同時被用作為空氣螺旋槳(扇),將部分吸入的空氣透過噴射引擎的外圍向後推。發動機核心部分空氣經過的部分稱為內涵道,僅有風扇空氣經過的核心機外側部分稱為外涵道。渦扇引擎最適合飛行速度400至1,000公里時使用,因此現在多數的飛機引擎都採用渦扇作為動力來源。渦扇引擎的旁通比(Bypass ratio,也稱涵道比)是不經過燃燒室的空氣質量,與透過燃燒室的空氣質量的比例。旁通比為零的渦扇引擎即是渦輪噴氣引擎。早期的渦扇引擎和現代戰鬥機使用的渦扇引擎旁通比都較低。例如世界上第一款渦扇引擎,勞斯萊斯的Conway,其旁通比只有0.3。現代多數民航機引擎的旁通比通常都在5以上。旁通比高的渦輪扇引擎耗油較少,但推力卻與渦輪噴氣引擎相當,且運轉時還寧靜得多。渦槳發動機的推力有限,同時影響飛機提高飛行速度。因此必需提高噴氣發動機的效率。發動機的效率包括熱效率和推進效率兩個部分。提高燃氣在渦輪前的溫度和壓氣機的增壓比,就可以提高熱效率。因為高溫、高密度的氣體包含的能量要大。但是,在飛行速度不變的條件下,提高渦輪前溫度,自然會使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時動能損失大。因此,片面的加大熱功率,即加大渦輪前溫度,會導致推進效率的下降。要全面提高發動機效率,必需解決熱效率和推進效率這一對矛盾。渦輪風扇發動機的妙處,就在於既提高渦輪前溫度,又不增加排氣速度。渦扇發動機的結構,實際上就是渦輪噴氣發動機的前方再增加了幾級渦輪,這些渦輪帶動一定數量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣,送進壓氣機(術語稱“內涵道”),另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此,渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時,為提高熱效率而提高渦輪前溫度,可以透過適當的渦輪結構和增大風扇直徑,使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道,從而避免大幅增加排氣速度。這樣,熱效率和推進效率取得了平衡,發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低,飛機航程變得更遠。由噴管排出燃氣和風扇排出空氣共同產生反作用推力的燃氣渦輪發動機。渦輪風扇發動機由風扇、壓氣機、燃燒室、驅動壓氣機的高壓渦輪、驅動風扇的低壓渦輪和排氣系統組成。其中壓氣機、燃燒室和高壓渦輪三部分統稱為核心機,由核心機排出的燃氣中的可用能量,一部分傳給低壓渦輪用以驅動風扇,餘下的部分在噴管中用於加速排出的燃氣。風扇轉子實際上是 1級或幾級葉片較長的壓氣機,空氣流過風扇後,一部分流入核心機稱為內涵氣流由噴管高速排出產生推力,另一部分圍繞核心機的外圍流過,稱為外涵氣流,也產生推力。這種有內外二個涵道的渦輪風扇發動機又稱為內外涵發動機。流經外涵和內涵的空氣流量之比稱為涵道比或流量比。涵道比對渦輪風扇發動機效能影響較大,涵道比大,耗油率低,但發動機的迎風面積大;涵道比較小時,迎風面積小,但耗油率大。內外涵兩股氣流分開排入大氣的稱為分排式渦輪風扇發動機。內外涵兩股氣流在內涵渦輪後的混合器中相互滲混後透過同一噴管排入大氣的,稱為混排式渦輪風扇發動機。渦輪風扇發動機也可安裝加力燃燒室,成為加力渦輪風扇發動機。在分排式渦輪風扇發動機上的加力燃燒室可以分別安裝在內涵渦輪後或外涵通道內,在混排式渦輪風扇發動機上則可裝在混合器後面。核心機相同時,渦輪風扇發動機的工質(工作介質)流量介於渦輪噴氣發動機和渦輪螺旋槳發動機之間。渦輪風扇發動機比渦輪噴氣發動機的工質流量大、噴射速度低、推進效率高、耗油率低、推力大。50年代發展的第一代渦輪風扇發動機,其涵道比、壓氣機增壓比和燃氣溫度都較低,耗油率比渦輪噴氣發動機僅低25%左右,大約為 0.06~ 0.07公斤/牛·時(0.6~0.7公斤/公斤力·時)。60年代末、70年代初發展了高涵道比(5~8)、高增壓比(25~30)和高燃氣溫度 (1600~1750K)的第二代渦輪風扇發動機,耗油率降低到0.03~0.04公斤/牛·時(0.3~0.4公斤/公斤力·時),推力則高達200~250千牛(20000~25000公斤力)。高涵道比渦輪風扇發動機的噪聲低,排氣汙染小,多用作大型客機的動力裝置,這種客機在11公里高度的巡航速度可達950公里/時。但這種高涵道比的渦輪風扇發動機的排氣噴射速度低,迎風面積大,不宜用於超音速飛機上。有些殲擊機使用了小涵道比、帶加力燃燒室的渦輪風扇發動機,在亞音速飛行時不使用加力燃燒室,耗油率和排氣溫度都比渦輪噴氣發動機低,因而紅外輻射強度較弱,不易被紅外製導的導彈擊中。使用加力作2倍以上音速的飛行時,產生的推力可超過加力渦輪噴氣發動機,地面標準大氣條件下的推重比已達8左右。1. 渦噴發動機 進氣道進氣---壓氣機增壓---燃燒室加熱---渦輪膨脹作功帶動壓氣機---尾噴管膨脹加速---排氣到體外 發動機轉起來之後,壓氣機源源不斷地把壓縮了的空氣送到後面的燃燒室,在燃燒室裡空氣和燃油混合燃燒,向後排出高溫高速高壓氣體,這些氣體帶動渦輪旋轉,渦輪和壓氣機是用軸連在一起的,因此渦輪旋轉了,壓氣機也跟著旋轉,就不斷地把空氣壓縮排去了 2. 渦輪風扇發動機 2.1分開排氣渦輪風扇發動機 進氣道進氣--風扇增壓--氣流分為兩股 內涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風扇和壓氣機--內涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外 外涵氣流:外涵道--外涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外 我們常見的民航客機所採用的發動機,多半是分別排氣渦輪風扇發動機,比如著名的V2500,PW4000,GE90.... 2.2混合排氣渦輪風扇發動機 進氣道進氣--風扇增壓--氣流分為兩股 內涵氣流:壓氣機增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動風扇和壓氣機--混合器 外涵氣流:外涵道--混合器 兩股氣流在混合器中摻混--尾噴管膨脹加速--排氣到體外