第二代喷气发动机以为加力式涡轮喷气发动机为主,图331是
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第二代喷气发动机以为加力式涡轮喷气发动机为主,图3.3.1是加力式涡轮喷气发动机的示意图。第二代发动机中也有一些加力式涡轮风扇发动机(简称加力涡扇发动机),例如美
1-超声速进气道 2-压气机 3-燃烧室 4-涡轮 5-加力燃烧室 6-尾喷管
图3.3.2 加力式涡喷发动机
国的F111是世界上第一种装有涡轮风扇发动机(TF30)的战斗机,1966年投入使用。英国的F-4鬼怪式战斗机装有斯贝MK.202涡轮风扇发动机代替J79涡轮喷气发动机,1968年投入使用。第二代发动机的推力/重量比为5~6,可以使飞机的最大飞行马赫数
M达到
max
2.0~2.5。
20世纪70年代初,美国研制成推重比为8.0一级的加力式涡轮风扇发动机
F100-PW-100,1974年装有2台这种发动机的F-15战斗机投入使用。使喷气发动机迈入第三代的新阶段。从1974年到21世纪初期,装有第三代喷气发动机的战斗机都是战斗机中的主力,其典型代表列于表3.3.3,结构简图表示于图3.3.3。
图3.3.3 加力式涡轮风扇发动机结构简图
第四代战斗机要求发动机的推重比要在10以上,采用矢量推力喷管,有良好的隐身能力等。
第四代发动机的典型代表列于表3.3.4。
活塞式发动机/螺旋桨动力装置的经济性好,主要是因为在低飞速度度时螺旋桨的效率高,但活塞式发动机笨重、推力差性能差,不适于高速飞行;涡轮喷气发动机适于高速飞行,但低飞速度时经济性差。民用飞机侧重经济性,又要适当提高飞行速度,故20世纪40年代后期便出现了涡轮螺旋桨发动机(简称涡桨发动机)。涡桨发动机可以看成是涡喷发动机与活塞式动力装置的组合,既有螺旋桨的高效率又有涡喷发动机质量轻和推力性能好的优点。图3.3.4是涡桨发动机的原理图,发动机的基本部件与涡喷发动机一样,由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。不同的是,涡桨发动机的动力涡轮用来驱动螺旋桨,推力主要由螺旋桨产生,动力涡轮后的气流还有较高的能量,经尾喷管排出时的速度虽然远小于涡喷发动机的排气速度,但仍然高于飞行速度,故发动机本身也产生一定的反作用推力。
20世纪50年代60年代涡桨发动机广泛用于民用和军用运输机,20世纪末期欧洲8国计划设计的A400M 军用运输机采用4台涡轮螺浆发动机。
直升机用的发动机,在20世纪50年代中期以前都是活塞式发动机,之后,涡轮轴发动机(简称涡轴发动机)开始用于直升机。60年代后,新的直升机几乎完全都采用涡轮轴发动机。图3.3.5为涡轴发动机原理图。发动机本身与涡桨发动机没有什么差别,不同的只是动力涡轮的功率驱动旋翼,旋翼产生直升机需要的升力和拉力,动力涡轮后的气流能量较低,排气管出口的速度较小,发动机本身基本上不产生反作用推力。
图3.3.4涡浆发动机原理图
图3.3.5 涡轴发动机原理图
涡桨发动机具有良好的经济性,但螺旋桨尺寸太大,难以进一步提高飞行速度,因此20世纪60年代末期出现了大涵道比的涡轮风扇发动机,图3.3.6是典型的大涵道比涡轮风扇发动机简图,图3.3.7为GP7000大涵道比涡轮风扇发动机。
图3.3.6 大涵道比涡轮风扇发动机简图
图3.3.7 GP7000 大涵道比涡轮风扇发动机
大涵道比涡轮风扇发动机可以视为涡浆发动机的变种,即把螺旋桨的尺寸缩小、桨叶的数目增加、采用先进的设计技术,并置于外涵道之中以提高其效率。
大涵道比涡轮风扇发动机一般是分别排气的,气流经风扇后分为两路,一路经外涵道并经外涵尾喷管排出;另一路流经入内涵的压气机(可以分中压和高压压气机)、燃烧室、涡轮,最后由内涵尾喷管排出。流经外涵的空气质量流量与内涵的空气质量流量之比称为涵道比。通常风扇和中压压气机(如果有中压压气机的话)在一根轴上由低压涡轮驱动,高压压气机由高压涡轮在一根轴上。图3.3.6所示的是双轴分别排气大涵道比涡轮风扇发动机,也有的发动机采用三轴方案。
依据涵道比划分,涡扇发动机分为低涵道比(1.0 以下)、中等涵道比(1.0~ 3.0)和高涵道比(3.0 以上)三类。
依据排气方式划分,涡扇发动机分为分开排气和混合排气两类。
依据转子数目划分,分为单轴、双轴和三轴三类。
按是否带加力燃烧室,分为加力与不加力涡扇发动机。
现役的第三代战斗机采用的都是低涵道比双轴混合排气加力涡轮风扇发动机。
大型运输机和远程轰炸机多采用大涵道比双轴分开排气涡扇发动机。
20世纪70年代世界航空发达国家开始研制桨扇发动机。它是一种性能介于涡桨和涡扇发动机之间的发动机,图3.3.8所示的浆扇发动机可看作采用先进技术的涡桨发动机。图3.3.9为一种具有外涵道的桨扇发动机,可以视为超高涵道比的涡扇发动机(涵道比为15~20量级)。普通螺旋桨一般由3—4片直叶片组成,而桨扇则由8—10片后叶片组成,该叶片还具有叶型薄、最大厚度位置后移等特点。这些特点克服了一般螺旋桨在飞行马赫数Ma 到0.65 后效率就急剧下降的缺点,而使桨扇直到飞行马赫数Ma0.8左右仍具有较高的效率。
与高涵道比分别排气涡扇发动机相比,桨扇发动机更适用于巡航马赫数为0.7~0.8 的中短途运输机。