大学物理论文 喷气式发动机的原理.doc

大学物理论文 院系： 能源工程系 专业：弹药工程与爆炸技术 姓名： 学号; 喷气式发动机的原理摘要：从喷气式发动机的进气道、压气机、燃烧室、涡轮机、尾喷管和加力燃烧室等方面介绍其工作原理。介绍轴流式涡轮喷气式发动机的结构和特性，以及这这种发动机的发展历史和使用情况。从发动机的整体构造、所提供的动力、转速和经济性等方面分析这款发动机的优缺点。并从其发动机的工作特点讲解某些特殊部位的制作材料和制作工艺。重点介绍军用战斗机所装备的喷气式发动机的工作原理以及这种发动机的使用情况和发展前景。关键词：涡轮；喷气式发动机；原理；轴流式；作用力与反作用力 一、涡轮喷气发动机的发展历史 涡轮喷气发动机是发动机的一种特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力。油耗量大。涡轮喷气式发动机简称涡喷发动机。涡喷发动机分为离心式与轴流式两种。离心式发动机由英国人弗兰克惠特尔爵士于1933年取得发明专利，但是直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大战。轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力参加了1945年末的战斗。相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，当今使用的涡喷发动机均为轴流式。、涡轮喷气式发动机（一）原理及工作方式原理牛顿第三定律作用力与反作用力喷气式发动机在工作时，从前端吸入大量空气，燃烧后高速喷出。在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。2.概述涡轮喷气发动机应用喷气推进。克服了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点。因为采用了涡轮驱动的压气机，因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。它从大气中吸进空气，经压缩和加热这一过程之后，得到能量和动量的空气以高达610m/s的速度从推进喷管中排出。在高速气流喷出发动机时，同时带动压气机和涡轮继续旋转，维持“工作循环”。涡轮发动机的机械布局比较简单，因为它只包含两个主要旋转部分，即压气机和涡轮，还有一个或者几个燃烧室。然而，并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性，因为热力和气动力问题是比较复杂的。 飞机速度低于大约450英里/小时(724公里/小时)时，纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率，因为它的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度；因而，纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。然而，由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动，在350 -1- 英里/小时(563公里/小时以上时螺旋桨效率迅速降低。这些特性也是使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而采用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合涡轮螺旋桨式发动机）的原因。3.推进效率螺旋桨机的引入所取代。这些发动机比纯喷气发动机流量大而喷气速度低，因而，其推进效率与轮螺旋桨发动机相当，超过了纯喷气发动机的推进效率。 （二）结构1.进气道轴流式涡喷发动机的主要结构如图，空气首先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构：压气机进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。在超音速飞行时，机头与进气道口会产生激波（经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响），空气经过激波压力会升高，因此进气道能起一定的预压缩作用，但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀，甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥，根据空速的情况调节激波的位置。两侧进气（如F-22）或机腹进气（如歼-10）的飞机由于进气道紧贴机身，会受到附面层的影响，还会带一个附面层调节装置。所谓的附面层是之紧贴机身表面流动的一层空气，其流苏远低于周围空气，但其静压比周围高，形成压力梯度。因为其能量低，不适于进入发动机而需要排除。当飞机有一定仰角时由于压力梯度的变化，在压力梯度加大的（如背风面）将发生附面层分离的现象，即本来紧贴机身的附面层在某一点突然脱离，形成湍流。2.压气机压气机有定子叶片和转子叶片交错组成，一对定子叶片与转子叶片称为一级，定子固定在发动机框架上，转子有转子轴与涡轮相连。现在使用的涡喷发动机一般为12级压气机。级数越多越往后压力越大，当战斗机突然做高机动时，流入压气机前级的空气压力骤2后级压力很高，此时会出现后级高压空气反向膨胀，发动机工作不稳定的状况，工程上称为“喘振”，这是发动机最致命的事故，很有可能造成停车甚至结构毁坏。防止“喘振”发生有几种办法。经验表明“喘振”多发生在压气机的5,6级间，在次区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免“喘振”的发生。或者将转子轴做成两层同心空筒，分别连接前级低压压气机与涡轮，后级高压压气机与另一组涡轮，两套转子相互相独立，在压力异常时自动调节转速，也可避免“喘振”。 3.燃烧室与涡轮空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧，膨胀做功；紧接着流过涡轮，推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上，所以压气机与涡轮的转速是一样的。最后高温高速燃气经过喷嘴喷出，以反作用力提供动力。燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室，每个筒都不是密封的，而是在适当的地方开有孔，所以整个燃烧室是连通的，后来发展到环形燃烧室，结构紧凑，但是整个流体环境不如筒状燃烧室，还有结合二者优点的组合型燃烧室。涡轮始终工作在极端条件下，对其材料、制造工艺有着极其苛刻的要求。目前多采用粉末冶金的空心页片，整体铸造，即所有页片与页盘一次铸造成型。相比起早期每个页片与页盘都分体铸造，再用榫接起来，省去了大量接头的质量。制造材料多为耐高温合金材料，中空页片可以通以冷空气以降温。而为第四代战机研制的新型发动机将配备高温性能更加出众的陶瓷粉末冶金的页片。这些手段都是为了提高涡喷发动机最重要的参数之一：涡轮前温度。高涡前温度意味着高效率，高功率。4.喷管与加力燃烧室喷管也称喷嘴)的形状结构决定了最终排除的气流的状态早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管，以达到增速的目的。根据牛顿第三定律，燃气喷出速度越大，飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的，因为最终气流速度会达到音速，这时出现激波阻止气体速度的增加。而采用收敛扩张喷管能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力，而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管是历史上两种方案，其中后者已经进入实际应用阶段。著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代表是美国的X31技术验证机。 在经过涡轮后的高温燃气中仍然含有部分未来得及消耗的氧气，在这样的燃气中继续注入煤油仍然能够燃烧，产生额外的推力。所以某些高性能战机的发动机在涡轮后增加了一个加力燃