噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理

1、氣推進(jìn)原理 噴氣推進(jìn)是伊薩克牛頓(Isaac Newton)爵士的第三運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)際應(yīng)用。該定律表述為：“作用在一物體上的每一個(gè)力都有一方向相反大小相等的反作用力?！本惋w機(jī)推進(jìn)而言，“物體”是通過發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)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(dòng)機(jī)用類似于發(fā)動(dòng)機(jī)/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(jìn)飛機(jī)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)

2、。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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。類似的旋轉(zhuǎn)式花園噴灌器是這一原理更為實(shí)用的一個(gè)例子。這種噴灌器借助于作用于噴水嘴的反作用力旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)代滅火設(shè)備的高壓噴頭是“噴流反作用”的一個(gè)例子。由于水噴流的反作用力，一個(gè)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(shí)，它便沿著與噴氣相反的方向急速飛走。 噴氣反作用絕對(duì)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(shí)際上，噴氣推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，無論火箭、沖壓噴氣、或者渦輪噴氣，都是設(shè)計(jì)成加速空氣流或者燃?xì)饬鞑?/p>

3、將其高速排出的一種裝置。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(dòng)機(jī)上的最終的反作用力即推力是與發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)小速度或者給少量空氣一個(gè)大速度能提供同樣的推力。實(shí)用中，人們喜歡前者，因?yàn)榻档蛧姎馑俣饶艿玫礁叩耐七M(jìn)效率。 噴氣推進(jìn)的幾種方式 不同類型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，無論沖壓噴氣、脈沖噴氣、燃?xì)廨啓C(jī)、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(dòng)機(jī)供應(yīng)能量并將能量轉(zhuǎn)換成飛行動(dòng)力的方式。 沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一種氣動(dòng)熱力涵道。它沒有任何主要旋轉(zhuǎn)零件，只包含一個(gè)擴(kuò)張形進(jìn)氣涵道和一個(gè)收斂形或者收斂-擴(kuò)張形出口。當(dāng)由外

4、部能源強(qiáng)迫其向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣被迫進(jìn)入進(jìn)氣道。當(dāng)它流過這一擴(kuò)散形涵道時(shí)，其速度或動(dòng)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(dòng)機(jī)常作為導(dǎo)彈和靶機(jī)的動(dòng)力裝置，但單純的沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不適于作為普通飛機(jī)動(dòng)力裝置，因?yàn)樵谒a(chǎn)生推力前，要求向它施加向前的運(yùn)動(dòng)。 脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用間歇燃燒原理。與沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同，它能在靜止?fàn)顟B(tài)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)是由類似沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種空氣動(dòng)力涵道構(gòu)成。它的壓力較高，結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)實(shí)。進(jìn)氣涵道有許多進(jìn)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(jìn)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

5、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(dòng)機(jī)曾經(jīng)被設(shè)計(jì)成直升機(jī)旋翼的推進(jìn)裝置，有的還通過精心設(shè)計(jì)涵道來控制共振循環(huán)的壓力變化而省去了進(jìn)氣活門。但脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不適于作為飛機(jī)動(dòng)力裝置，因?yàn)樗挠秃母?，又無法達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也屬于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，但它們有重大區(qū)別。即火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不用大氣作為推進(jìn)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(jìn)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(shí)間很短的情況。渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于噴氣推進(jìn)避免了火箭和沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)固有的

6、弱點(diǎn)，因?yàn)椴捎昧藴u輪驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)，因此在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也有足夠的壓力來產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進(jìn)空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過程之后，得到能量和動(dòng)量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(shí)(2253公里/小時(shí))的速度從推進(jìn)噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械布局比較簡單，因?yàn)樗话瑑蓚€(gè)主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機(jī)和渦輪，還有一個(gè)或者若干個(gè)燃燒室。然而，并非這種發(fā)動(dòng)機(jī)的所有方面都具有這種簡單性，因?yàn)闊崃蜌鈩?dòng)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

7、機(jī)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(jìn)噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作造成的。 飛機(jī)速度低于大約450英里/小時(shí)(724公里/小時(shí))時(shí)，純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低于螺旋槳型發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因?yàn)樗耐七M(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)，在350英里/小時(shí)(563公里/小時(shí))以上時(shí)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(jī)不用純渦輪噴氣裝置而采用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組合 - 渦輪螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)。 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(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的引入所取代。這些

8、發(fā)動(dòng)機(jī)比純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)流量大而噴氣速度低，因而，其推進(jìn)效率與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，超過了純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。 渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度)與沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，在高馬赫數(shù)時(shí)具有良好的性能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍是一涵道，前部具有可調(diào)進(jìn)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(dòng)機(jī)用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式；當(dāng)飛機(jī)加速到馬赫數(shù)3以上時(shí)，其渦輪噴氣機(jī)構(gòu)被關(guān)閉，氣道空氣借助于導(dǎo)向葉片繞過壓氣機(jī)，直接流入加力噴管，此時(shí)該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，在這些狀態(tài)下，該發(fā)動(dòng)機(jī)是以沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方式工作的。 渦輪/火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，一個(gè)重要的差異在于它自備燃燒用的氧。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一多級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)的低壓壓氣機(jī)，而驅(qū)動(dòng)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?yàn)槿細(xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)3500度，在燃?xì)膺M(jìn)入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻