涡轮喷气发动机
Turbojet

燃气涡轮发动机最广泛的用途是航空发动机,而且航空发动机绝大多数是燃气涡轮发动机,称为航空燃气涡轮发动机,主要有四种类型,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机。本节介绍涡轮喷气发动机,简称涡喷发动机。

 涡喷发动机基本结构

涡喷发动机主要用在高速战斗机,早期的涡喷发动机与普通涡轮发动机一样,由轴流式压气机环形燃烧室环管燃烧室轴流式涡轮组成,有关各部分结构与原理参考相关章节,现在的涡喷发动机增加了加力燃烧室。本节通过一个涡喷发动机模型来说明基本结构与简单原理,模型仅由主要部件组成,静叶不显示;模型涡轮后部长度有所缩短;润滑系统、启动系统等附属系统示意性显示;各部件比例未与任何实际发动机相同,模型仅作基本结构与原理演示。

涡喷发动机功能是产生高温高压燃气,从尾喷管中高速喷出产生推力,它就是飞机的推进器。涡轮仅带动压气机,不向外输出机械功,图1是涡喷发动机模型的转子,由一级轴流涡轮与10级轴流式压气机同轴组成。

涡喷发动机的转子

图1-涡喷发动机的转子

图2与图3是涡喷发动机剖面图,转子安装在机壳(气缸)内;在压气机与涡轮之间有环形燃烧室,燃烧室内安装环形火焰筒与多个燃料喷嘴(参见“环形燃烧室”)。由于转子轴没有通向机外,一般通过扇齿轮与外面的启动机相连接,启动机一般用电机,在启动后作发电机用,大的涡喷发动机则采用另一个小形涡轮发动机启动。

涡喷发动机结构图(一)

图2-涡喷发动机结构图(一)

涡喷发动机结构图(二)

图3--涡喷发动机结构图(二)

涡喷发动机工作原理与普通燃气轮机相同,其特点是膨胀的燃气除了推动压气机,大部分能量变为高速喷出燃气的动能,产生推力推动飞机前进。

 加力燃烧室

涡喷发动机主要用在歼击机等军用战斗机上,多为超音速飞行,仅靠涡轮机喷出的燃气产生推力还不能满足多种需求,于是在涡轮后方又增加了加力燃烧室。加力燃烧室利用涡轮排出的燃气中剩余氧气加燃油燃烧(空气通过主燃烧室后尚剩余有2/3~ 3/4的氧气),产生更大的推力。在短距离起飞,大角度爬升时都需要加力燃烧室助力。加力燃烧室在涡轮后部,主要由扩压室、预燃室、火焰稳定器、喷管组成,图4是加力燃烧室结构示意图。

加力燃烧室结构图

图4--加力燃烧室结构图

扩压室在涡轮后部,扩大的外壳与涡轮后锥体形成扩压室,扩压的目的是适当降低气流速度,便于点火与稳定火焰。扩压室内的整流支板支撑涡轮轴承与涡轮后锥体,并稳定气流。

在加力燃烧室有环形燃料管,管上有若干喷嘴,在加力燃烧时喷出燃料。

预燃室是用于加力燃烧室点火的一个小型燃烧室,安装在涡轮后锥体内。预燃室的空气来自于压气机出口的空气,一般用电火花直接点火,起燃后喷出的火舌点燃加力燃烧室的燃料。

为防止燃烧气流混乱产生振荡燃烧,在燃烧室内采用非流线型物体对火焰进行稳定,最普通采用V形槽,V形槽有环形的与径向的,本例是采用环形槽。实际发动机有2排或3排环形槽,图5是一个有3排V型环形槽的火焰稳定器(从后部看),图中可看到火焰稳定器前方有许多喷嘴, 该照片来自网络。

涡喷发动机加力燃烧室

图5--涡喷发动机加力燃烧室

在加力燃烧室流出的燃气在喷管膨胀加速,将燃气的能量转变为动能,从尾喷口高速喷出,产生反作用推力。

加力燃烧耗油很大,仅在需加力时短时使用。

   涡喷发动机的气流走向与动画

图6为涡喷发动机工作流程与气流走向图。压气机产生高压空气,流向见浅蓝色箭头线;燃烧室产生高速膨胀燃气,流向见红色箭头线;加力燃烧室继续加温膨胀气体,其流向见紫色箭头线。

涡喷发动机气流走向图

图6--涡喷发动机气流走向图

    下面请观看涡喷发动机运转动画,前半是平常运行动画,后半是加力动画。如果在线观看出现转子抖动或反转,请下载用其他播放器观看。

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涡轮喷气发动机运转动画

 
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