【簡介：】噴氣發(fā)動機原理及若干工作方式 噴氣推進原理 氣推進是伊薩克?牛頓(Isaac Newton)爵士的第三運動定律的實際應(yīng)用。該定律表述為：“作用在一物體上的每一個力都有一方向相反大

噴氣發(fā)動機原理及若干工作方式 噴氣推進原理 氣推進是伊薩克?牛頓(Isaac Newton)爵士的第三運動定律的實際應(yīng)用。該定律表述為：“作用在一物體上的每一個力都有一方向相反大小相等的反作用力。”就飛機推進而言，“物體”是通過發(fā)動機時受到加速的空氣。產(chǎn)生這一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在產(chǎn)生這一加速度的裝置上。噴氣發(fā)動機用類似于發(fā)動機/螺旋槳組合的方式產(chǎn)生推力。二者均靠將大量氣體向后推來推進飛機，一種是以比較低速的大量空氣滑流的形式，而另一種是以極高速的燃?xì)鈬姎饬餍问健?這一同樣的反作用原理出現(xiàn)于所有運動形式之中，通常有許多應(yīng)用方式。噴氣反作用最早的著名例子是公元前120年作為一種玩具生產(chǎn)的赫羅的發(fā)動機。這種玩具表明從噴嘴中噴出的水蒸氣的能量能夠把大小相等方向相反的反作用力傳給噴嘴本身，從而引起發(fā)動機旋轉(zhuǎn)。類似的旋轉(zhuǎn)式花園噴灌器是這一原理更為實用的一個例子。這種噴灌器借助于作用于噴水嘴的反作用力旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)代滅火設(shè)備的高壓噴頭是“噴流反作用”的一個例子。由于水噴流的反作用力，一個消防員經(jīng)常握不住或控制不了水管。也許，這一原理的最簡單的表演是狂歡節(jié)的氣球，當(dāng)它放出空氣或氣體時，它便沿著與噴氣相反的方向急速飛走。 噴氣反作用絕對是一種內(nèi)部現(xiàn)象。它不象人們經(jīng)常想象的那樣說成是由于噴氣流作用在大氣上的壓力所造成的。實際上，噴氣推進發(fā)動機，無論火箭、沖壓噴氣、或者渦輪噴氣，都是設(shè)計成加速空氣流或者燃?xì)饬鞑⑵涓咚倥懦龅囊环N裝置。當(dāng)然，這樣做有不同的方式。但是，在所有例子中，作用在發(fā)動機上的最終的反作用力即推力是與發(fā)動機排出的氣流的質(zhì)量以及氣流的速度成比例的。換言之，給大量空氣附加一個小速度或者給少量空氣一個大速度能提供同樣的推力。實用中，人們喜歡前者，因為降低噴氣速度能得到更高的推進效率。 噴氣推進的幾種方式 不同類型的噴氣發(fā)動機，無論沖壓噴氣、脈沖噴氣、燃?xì)廨啓C、渦輪/沖壓噴氣或者渦輪-火箭，其差別僅在于“推力提供者”即發(fā)動機供應(yīng)能量并將能量轉(zhuǎn)換成飛行動力的方式。 沖壓噴氣發(fā)動機實際上是一種氣動熱力涵道。它沒有任何主要旋轉(zhuǎn)零件，只包含一個擴張形進氣涵道和一個收斂形或者收斂-擴張形出口。當(dāng)由外部能源強迫其向前運動時，空氣被迫進入進氣道。當(dāng)它流過這一擴散形涵道時，其速度或動能降低，而壓力能增加。爾后，靠燃油的燃燒來增加其總能量，膨脹的燃?xì)馔ㄟ^出口涵道高速排入大氣。沖壓噴氣發(fā)動機常作為導(dǎo)彈和靶機的動力裝置，但單純的沖壓噴氣發(fā)動機不適于作為普通飛機動力裝置，因為在它產(chǎn)生推力前，要求向它施加向前的運動。 脈沖噴氣發(fā)動機采用間歇燃燒原理。與沖壓噴氣發(fā)動機不同，它能在靜止?fàn)顟B(tài)工作。這種發(fā)動機是由類似沖壓噴氣發(fā)動機的一種空氣動力涵道構(gòu)成。它的壓力較高，結(jié)構(gòu)比較堅實。進氣涵道有許多進氣“活門”，在彈簧拉力作用下處于打開位置，通過打開的活門空氣進入燃燒室，并靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱，由此引起的膨脹使壓力升高，迫使活門關(guān)閉，然后膨脹的燃?xì)庀蚝髧姵?；排氣造成降壓，使活門重新開啟。這種過程周而復(fù)始。脈沖噴氣發(fā)動機曾經(jīng)被設(shè)計成直升機旋翼的推進裝置，有的還通過精心設(shè)計涵道來控制共振循環(huán)的壓力變化而省去了進氣活門。但脈沖噴氣發(fā)動機不適于作為飛機動力裝置，因為它的油耗高，又無法達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的性能。 火箭發(fā)動機雖然也屬于噴氣發(fā)動機，但它們有重大區(qū)別。即火箭發(fā)動機不用大氣作為推進流體，而用它攜帶的液態(tài)燃料或化學(xué)分解而形成的燃料與氧氣劑的燃燒來產(chǎn)生它自己的推進流體，從而能在地球大氣層外工作，但因此它也只適用工作時間很短的情況. 渦輪噴氣式發(fā)動機應(yīng)用于噴氣推進避免了火箭和沖壓噴氣發(fā)動機固有的弱點，因為采用了渦輪驅(qū)動的壓氣機，因此在低速時發(fā)動機也有足夠的壓力來產(chǎn)生強大的推力。渦輪噴氣發(fā)動機按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過程之后，得到能量和動量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(2253公里/小時)的速度從推進噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動機時，同時帶動壓氣機和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動機的機械布局比較簡單，因為它只包含兩個主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機和渦輪，還有一個或者若干個燃燒室。然而，并非這種發(fā)動機的所有方面都具有這種簡單性，因為熱力和氣動力問題是比較復(fù)雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃?xì)獠⑿纬赏七M噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計工作造成的。 飛機速度低于大約450英里/小時(724公里/小時)時，純噴氣發(fā)動機的效率低于螺旋槳型發(fā)動機的效率，因為它的推進效率在很大程度上取決于它的飛行速度；因而，純渦輪噴氣發(fā)動機最適合較高的飛行速度。然而，由于螺旋槳的高葉尖速度造成的氣流擾動，在350英里/小時(563公里/小時)以上時螺旋槳效率迅速降低。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機不用純渦輪噴氣裝置而采用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的組合 -- 渦輪螺旋槳式發(fā)動機。 螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)越性在一定程度上被內(nèi)外涵發(fā)動機、涵道風(fēng)扇發(fā)動機和槳扇發(fā)動機的引入所取代。這些發(fā)動機比純噴氣發(fā)動機流量大而噴氣速度低，因而，其推進效率與渦輪螺旋槳發(fā)動機相當(dāng)，超過了純噴氣發(fā)動機的推進效率。 渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機將渦輪噴氣發(fā)動機(它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度)與沖壓噴氣發(fā)動機結(jié)合起來，在高馬赫數(shù)時具有良好的性能。這種發(fā)動機的周圍是一涵道，前部具有可調(diào)進氣道，后部是帶可調(diào)噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數(shù)3以下的飛行狀態(tài)下，發(fā)動機用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動機的工作方式；當(dāng)飛機加速到馬赫數(shù)3以上時，其渦輪噴氣機構(gòu)被關(guān)閉，氣道空氣借助于導(dǎo)向葉片繞過壓氣機，直接流入加力噴管，此時該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動機的燃燒室。這種發(fā)動機適合要求高速飛行并且維持高馬赫數(shù)巡航狀態(tài)的飛機，在這些狀態(tài)下，該發(fā)動機是以沖壓噴氣發(fā)動機方式工作的。 渦輪/火箭發(fā)動機與渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)相似，一個重要的差異在于它自備燃燒用的氧。這種發(fā)動機有一多級渦輪驅(qū)動的低壓壓氣機，而驅(qū)動渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產(chǎn)生的。因為燃?xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)3500度，在燃?xì)膺M入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然后這種富油混合氣(燃?xì)?用壓氣機流來的空氣稀釋，殘余的燃油在常規(guī)加力系統(tǒng)中燃燒。雖然這種發(fā)動機比渦輪/沖壓噴氣發(fā)動機小且輕，但是，其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截?fù)魴C或者航天器的發(fā)射載機。這些飛機要求具有高空高速性能，通常需要有很高的加速性能而無須長的續(xù)航時間。