关于涡扇发动机的问题!
1、涡扇发动机风扇兼具螺旋桨和压气机功能,大涵道比的风扇作螺旋桨产生的推力最多可以占总推力的多大比例?
先说压气机的问题。风扇确实具有压气机的作用,但只是初步压缩,主要还是要靠压气机来完成。风扇的单级增压比在1.3-1.6,甚至更高,低涵道比发动机的多级风扇总压比可以到3左右,那是因为风扇和低压压气机合并的结果,而高函道比涡扇发动机现在基本都采用单级风扇,增压比能达到1.5以上。
涡扇发动机主要的推力来源肯定是燃烧产生的高速气流,大涵道比涡扇发动机内涵道喷出高温高速气体,外涵道喷出低温低速气体(虽然是低速,但仍然比进气速度快),两者在发动机后自然混合,形成推力。其实看到风扇的密集叶片就知道其作用和螺旋桨还是有一定区别的,虽然能提供动力,但所占比例应该很小。
图上是一个典型的双转子大涵道比涡轮风扇发动机,蓝绿色为一个转子,黄色为另一个转子,中间橙红色的是燃烧室。燃烧后的高速气体带动了两个转子,通过轴使风扇、低压压气机、高压压气机转动。如果大部分推力是由风扇产生的,那就说明燃烧室后的叶片大大降低了气体的速度,从而将推力转化为转速,传递给风扇,再带动气体形成推力,完全是多此一举,能量传递的次数越多则效率越低,直接由喷气产生推力显然效率更高。所以燃烧室后的叶片只要吸收一小部分推力,形成压气机需要的转速就可以了。大涵道比涡扇发动机的动力有一部分是来自于内涵道高温高度气体使外涵道低温低速气体膨胀产生的,这部分很重要,占比应该仅次于内涵道直接产生的推力。
2、为什么说涡扇发动机技术复杂,尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道,是极大的技术难题?
内外涵道的大小就是进气流量的大小,而流量大小并不等同于涵道面积的大小。这个地方的复杂之处在于需要大量的试验,虽然大多数涡扇发动机是轴流式,但是气体的流动往往不是规则的,进入发动机的气体还是有离心或者向心的法向速度(上图中,风扇出气体的偏向就是有法向速度),所以进气量并不完全等于涵道的面积,需要大量的试验和计算得出最佳的涵道面积比,得出最佳的进气口形状,得出风扇叶片的形状,这需要大量的试验数据支撑。
这里再说明一下涡扇发动机的增推原理。动量等于mv,而动能等于1/2mv^2,同样的动能,如果v减小一半,则m需增大到4m,就能获得两倍的动量,即消耗同样的能量,获得更大的推力,外涵道的出现就是为了增大m,而带动风扇和低压压气机的涡轮就是为了降低v。
综合“增推原理”和第一问中“大涵道比涡扇发动机的动力有一部分是来自于内涵道高温高度气体使外涵道低温低速气体膨胀产生的”,可以知道外涵道进气量的大小是非常重要的,可见涵道大小的重要性,只有最合适的大小才能发挥出发动机的最佳性能。
3、为什么大涵道比涡扇 需要更多级的压气机和更好的压比?
更大的增压比显然就是因为上面所说的“内涵道高温高度气体使外涵道低温低速气体膨胀”,内涵道的温度和推力越高,就能使外涵道喷出的气体膨胀的越厉害,从而产生更大的推力,这个性能特点在小涵道比涡扇发动机上是不具备的,过高的增压比只会降低小涵道比涡扇发动机的效率,这也是现在大小涵道比涡扇发动机设计分流的原因。
发动机的适装性能和适装范围/领域取决于下面几条:1.推力比,2.函道比,3.最大推力和巡航推力比
1. 飞机的设计中,发动机本体占据空机重量的比例在民航机/运输机或战斗机中的比例一般是有特定的范围值的。这个范围值取决于飞机本体的设计性能(最大速度,巡航速度,机动性,敏捷性等等),对于民用机来说,由于最大速度和巡航速度要求不高(多为0.85马赫以下),一般采用的是大函道比的涡扇发动机(外/内函道比达到5--6,最大推力目前最高的为56吨)。但这样的发动机的推比并不大,因为发动机的适装本体并不要求高速度(2马赫以上),超音速不加力巡航,高机动性和敏捷性。
2. 反之,对于军用超音速战斗机来说,由于其有超音速飞行的要求,首先其外/内函道比不可能很大,否则发动机的横截面积过大,飞行中阻力过大,根本无法实现超音速飞行的要求。所以很多军用发动机采用的外/内函道比都不超过1,一般在0.6一下,最新的四代高推比发动机的函道比有的都在0.35以下。只有这样才能保证高超音速下的气动流场和运行要求。
由于通过提高外/内函道比来提升发动机推力的路在军用发动机上的可能性被封死,所以现在的新一代军用发动机就只有通过简化高/中压力机的涡轮压缩级数,提高涡轮前温度等方式来进行。在这样的情况下,实际上相当于发动机本身的重量已经被限制死了(如果提升发动机的尺寸和重量,则战斗机的机身必然需要扩大,面多加水,水多加面,毫无意义),提升推力则必然提高推比。
而对于军用战斗机来说,高推比的发动机本身还有另外的意义,那就是发动机的高推比可以在机体本身重量有限的前提下,提升战机的机动性,加速性和敏捷性。必须明确的是,20世纪60年代和70年代发展的战斗机的发动机推比低,但战斗机本身通过优化进气道和外形设计,依然可以达到目前四代机同样或更高的飞行速度(冲刺速度),但由于发动机的推比限制,其机动性,敏捷性,加速性都不可与四代机相比。
此外,高推比的发动机的最重要优势在于,其不加力推力和加力推力之间的差距越来越小,这在推比低的三代或二代军用涡扇发动机上是不可能实现的。这就意味着不加力超音速巡航能力在战斗机上的实现,这种能力不是三代和二代战斗机短短几分钟或十几分钟的战斗加力运行状态可以比拟的。
另外,最为重要的是,高推比发动机还是为了四代机实现隐身不可缺少的条件。因为目前的四代机为了实现隐身,在飞机本身的气动外形设计上,效率实际上是不如三代机的。这就说明四代机的升阻比和气动阻力在同样飞行速度下要比三代机差。要实现同样的飞行性能,发动机的推力必须更大,以弥补这方面的设计要求所导致的性能损失。
实际上,军用四代发动机设计为什么采用高推比还有很多制约因素,这些问题展开,可以直接论述出一篇专业论文。具体的细节就不再赘述了。
2、外涵道的推力一部分是风扇对外涵道的空气进行加速的而产生的,另一部分其实在发动机尾部,内涵道高温空气和外涵道地温空气混合后,会将外涵道空气加热产生一部分推力,提高效率,降低喷气温度。当然一切推力都依赖于动量公式。
3、发动机之所分内涵道和外涵道其实主要是在涡轮风扇发动机上面。螺旋桨发动机效率高但是速度低。涡轮喷气发动机速度高但是效率低,于是将两者综合,将螺旋桨缩小演变成了涡扇发动机的风扇,装在了涡轮喷气发动机上面,就产生了现在的涡扇发动机。因此可以知道。外涵道其实就是带了保护罩的螺旋桨罢了。而发动机最终的所有动力都是来自于内涵道,也就是发动机的核心机。内涵道包括压气机、燃烧室、涡轮、喷口等。这些才是发动机的热机核心。才是动力的来源。至于到底是螺旋桨、涡扇、还是窝喷只不过是根据不同的用途及性能对核心机的不同应用罢了。因此,碎玉涡扇发动机而言,动力来源是内涵道的核心机,而之所以要外涵道只是为了提高发动机效率的一种做法。一般,涵道比越大,喷气温度越低,效率越高,飞行速度越低。涵道比越小,喷气温度越高,效率越低,飞行速度越低。因此,民航、运输机等低速飞行器都用大涵道比发动机,甚至是螺旋桨发动机(可认为涵道比无限大)。而战斗机、无人机等速度较高的飞行器,一般都会用低涵道比的发动机、甚至是涡轮喷气发动机(可认为是没有外涵道)。
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请比较涡喷和涡扇发动机的不同和优缺点?
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不可行,因为这么简单的问题飞机设计师们早想过了,1、将涡扇发动机的尺寸增大50%,体积大了,重量、体积都增加了,飞行中的空气阻力也大了,安装、机翼的承载都是问题。2、用铝合金溶解塑料,制成飞机外壳,强度、重量、费用是考虑因素。3、飞机外壳用锡涂料粉刷,让飞机免受和吸收雷达电子流的反射,...
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