无涡轮喷气发动机

无涡轮喷气发动机

摘要：去掉发动机的涡轮部件，一.可以大幅度降低生产成本，二.可以大幅度减少油耗，三.可以大幅度提高发动机功率。是适合现时低碳经济迫切需要的一举三得发明创新。

关键词：低碳发动机

1 历史现状

喷气推进的原理大家并不陌生，根据牛顿第三定律，物体A作用在物体B上力的同时也有物体B作用在物体上A上的大小相等方向相反的反作用力。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，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。事实上，这一原理很早就被应用于实践中，我们玩过的爆竹，就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的。

早在1913年，法国工程师雷恩．洛兰就获得了一项喷气发动机的专利，但这是一种冲压式喷气发动机，在当时的低速下根本无法工作，而且也缺乏所需的高温耐热材料。1930年，弗兰克惠特尔取得了他使用燃气涡轮发动机的第一个专利，但直到11年后，他的发动机在完成其首次飞行，弗兰克惠特尔的这种发动机形成了现代涡轮喷气发动机的基础。

现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，就必须遵循热机的做功原则：在高压下输入能量，低压下释放能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的，气体依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动机的四个工作位置。

空气首先进入的是发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看作气流以飞行速度流向发动机，由于飞机飞行的速度是变化的，而压气机适应的来流速度是有一定的范围的，因而进气道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。

进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力，温度升高。在亚音速时，压气机是气流增压的主要部件。那为什么高温高压燃气只从涡轮尾喷管喷出，而不从前部压气机扇叶的间隙喷出呢？这主要是压气机扇叶对前后纵轴向的倾角比涡轮扇叶对前后纵轴向的倾角大的缘故。事实上，两倾角的余弦比约为燃气体积膨胀比。

从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在涡轮喷气发动机中，气流在涡轮中膨胀所做的功正好等于压气机压

缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后，涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比大于压气机中的压缩比，涡轮出口处的温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。

从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力（如下图1）。

一般来讲，当气流从燃烧室出来时的温度越高，输出的能量就越大，发动机的推力也就越大。但是，由于涡轮材料等的限制，目前只能达到1650K左右，喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机，但其优异的高速性能使其迅速取代了后者，成为航空发动机的主流。事实上，活塞式螺旋桨发动机的工作过程是：燃烧膨胀的气体推动活塞曲轴，曲轴再带动旋转的螺旋桨，旋转的螺旋桨再推动空气。这显然是多费周折！而没有涡轮发动机的工作来得直截了当：燃烧膨胀的气体直接推动空气。

2 理论分析

烷烃类燃油的分子通式为：CnH2n+2。燃烧方程式为：2CnH2n+2+(3n+1)O2=2nCO2+(2n+2)H2O。反应摩尔数比为：（4n+2）/（3n+3）约=4/3，另外氧气在空气中所占比例<1/5，即等温等压下，

气体体积膨胀比16/15约固定为：1/1，要想在同样燃油供给量的情况下，真正提高发动机功率，只有一种办法：尽可能提高燃烧温度，加大气体体积膨胀比，加大气体分子运动速度，进而加大尾喷管气体喷出速度，获得更大的反冲量。然而，发动机前端进气道压气扇叶提供旋转扭矩的共轴涡轮扇叶却处在高温的环境中，这对涡轮材料的耐高温性能提出很高的要求，现在一般采用的是粉末TiAl合金耐高温材料，中空的可以导进冷空气的涡轮扇叶表面有发汗孔的结构工艺（如下图2）。就这样为了保证提供旋转扭矩的涡轮扇叶具有一定的刚度，涡轮对燃烧温度也有严格的上限要求，关键是生产涡轮部件的材料成本和工艺成本都很高。于是我们设想去掉发动机的涡轮部件会怎样？不是更好吗？那末，关键问题是：发动机前端进气道压气扇叶的旋转扭矩谁给提供？它的压气能量哪来？难道从燃烧室内聚集的巨大能量中提取一部分给发动机前端进气道压气扇叶的只有与之共轴的涡轮才行？

3 创新原理

大家知道高温气体可以电离，运动电荷在磁场中会受力F=qBv,这样在尾喷管内加以垂直贯穿磁场，两侧装有接收电荷的耐高温金属极板（因不需要提供扭矩，而无高温下的刚度要求，这比涡轮材料的条件要求低得多），就可得到一直流电源（如下图3），电源的功率W=IV的等效计算：

1）电压V：在强度B矢量的磁场中，以及速度u矢量运动的电荷，会受到洛伦兹力fm矢量的作用fm=qu×B，(矢量方向遵守右手定则)。在距离d的两极板间的电场中E中，会受到电场力fe的作用fe=qE，而E=V/d，故fe=qV/d。根据平衡既达稳定的原则，fe＝－fm，于是有，quB=qV/d，所以电压V=uBd即由电荷速度，磁场强度，板间距离决定。因为宏观理解的温度正是微观物质运动动能的体现。所以燃烧温度与电荷速度的平方成正比，进而电荷速度由燃烧温度决定。

2）电流强度I：由单位时间内到达极板的电离电荷数量决定，也受极板面积S，电离电荷的撞击密度决定，即由火焰电离度决定，进而由燃烧温度决定。

总之，功率W由磁场强度，板间距离，极板面积，燃烧温度决定，并且燃烧温度为最主要因素。因喷管的后部温度高，故建议极板应安置在中后部为佳。