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莫斯科不相信眼泪

 
 
 

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航空发动机与战斗机的划代(一)  

2010-07-22 23:37:02|  分类: 装备科技H |  标签: |举报 |字号 订阅

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为什么蒸汽机不能上天

19世纪中叶,人们通过研究鸟类飞行、风筝上天和滑翔机,知道了飞机为什么能够飞行的道理。但是,由于没有合适的发动机,连“空气动力学之父”——英国科学家乔治凯利也只能望天兴叹“我的发明(飞机)唯一无法解决的就是动力问题。”

要实现飞行的梦想,到底需要什么样的发动机呢?19世纪中叶,人们曾做过这样一个计算一名驾驶员和一架飞机要实现可操纵飞行,发动机的功率和重量之比(简称功重比)需大于0.1~0.15千瓦/千克,同时要求发动机工作稳定可靠、结构简单、尺寸(迎风面积)小。

此时,人类历史上的第一次工业革命方兴未艾,蒸汽机是其中的火车头,在火车、轮船和工业生产中被广泛应用,人们自然也想依靠它完成飞行之梦。但在近半个世纪的时间里,使蒸汽机“飞”起来终究是徒劳无功,人们开始对飞机本身产生动摇。1894年,著名的发明家美国人马克沁(大名鼎鼎的“马克沁机枪”的发明者)制造了用蒸汽发动机作为动力的飞机,但因太重只能在地面滑行。航空先驱、德国人李林塔尔不得不感叹“笨拙的蒸汽发动机在告诉人们,不要再去飞行了。”

事实上,当时用于飞机的蒸汽机已经过大量改进,自重减轻不少,但最好的蒸汽机的功重比也不超过0.075千瓦/千克。蒸汽机不适合用于飞行的原因是其原理。首先,蒸汽机通过加热水产生蒸汽,存放水需要巨大的锅炉,回收蒸汽变成水循环使用需要冷凝器,重量和体积都较大。第二,受水的沸点(温度)和压力的限制,蒸汽的功率不可能很高,同时,功率的产生需要加热水产生蒸汽,再利用蒸汽推动活塞,热效率很低,通常只有10%左右。这两个主要原因造成蒸汽机在提供大功率时,自重和体积也太大,对飞机飞行设置了巨大障碍。

汽车发动机使飞机蓝天圆梦

1883年,德国人戴姆勒(戴姆勒一奔驰汽车公司的创始人之一)研制出以汽油为燃料的活塞式发动机,人类飞行得以突破发动机瓶颈,变得柳暗花明。

活塞式发动机去掉了蒸汽机笨重的锅炉,将燃烧室和汽缸合二为一,燃料的加热及其燃烧都在汽缸内完成,又叫作“内燃机”,空气在工作后可直接排出,不会增加自重,也无需冷凝器,因此重量更轻、体积更小。同时,由于空气在燃烧前是经过压缩的,压缩比(一般为5~9倍)和燃烧温度都比较高,热效率更高(达25%)。此外,内燃机可以让螺旋桨以超过1000转(当时的蒸汽机只有300转左右)的速度旋转,产生更大拉力。

活塞式发动机的工作过程,对于一个气缸,发动机每转2转完成一个工作循环,在四个冲程中,仅膨胀过程是作功的,因此,活塞式发动机经常由多个气缸组成。根据气缸排列方式的不同,可分为直列式、V形式、X形式与星形式等。直列式即各个气缸排成一排,V形即各个气缸分2列,这两列的相互位置关系呈V字形,每列可与直列式类似,排若干个气缸,在星形式中,分为单排、双排和四排,每排均呈辐射状布置多个气缸,气缸数少者有5缸,多的可达9缸。

由于活塞式发动机气缸内的温度很高,容易导致汽油喷入后活塞未运行到下死点、空气未被充分压缩、火花塞未点火,汽油就被高温缸壁加热形成自燃,出现爆震,形成“敲缸”现象,降低发动机功率,对发动机造成损害,所以,必须冷却发动机气缸。最传统和直接的方法是在气缸外加水套,用循环水冷却,因此需要水箱、沉甸甸的水和相关的管路系统。为使冷却水流向发动机,需要有水泵:冷却水泵本身需要空气散热器等。这对于要“克克”计较的飞机设计师而言,无疑是“弃之而后快”的。而飞机在飞行过程中,总有强烈的气流迎面而来,而且每升高1千米,温度降低6℃,所以,后期的活塞式发动机的冷却,一般采用风冷,即利用飞机机外的空气冷却发动机。

飞越喜马拉雅的“驼峰”航线

为追求更高的速度,需要提高活塞式发动机功率,最直接简单的办法就是增大气缸数,提高发动机排量。1903年莱特兄弟实现划时代飞行时所使用的发动机只有4个气缸,后来逐渐发展到5缸、7缸、9缸和14缸,最多甚至发展到28缸,用于美国的B-29“超级空中堡垒”远程轰炸机上。

除提高发动机缸数外,还可以采用其它办法提高发动机功率。

首先从燃料入手,提高汽油燃烧时的抗爆性(即辛烷值)和气缸油气混合物的燃烧前压缩比、热效率和输出功率。

通过提高汽油的辛烷值,可以将压缩比从2~3逐步提高到8~9,热效率从15%~20%逐步提高到25%~30%。

其次是采用加力技术,向气缸内喷射水和甲醇混合液,使发动机功率在短时间内获得大幅度提高,功率提升量达30%以上。在当时的战斗机发动机上,曾广泛采用这一技术。

另一重要措施是采用涡轮增压技术,将活塞发动机高达600℃~700℃的高温高压废气引入一台涡轮,驱动压气机压缩废气,增加空气密度,再将增压后的空气引入气缸燃烧,提高燃烧效率,从而提高发动机的输出功率。这一技术今天在越来越多的汽车中得到应用。

由于涡轮增压能提高燃烧空气的密度,在空气比较稀薄的高空中,改善了发动机的性能,使飞机的飞行高度扩展到1万米甚至更高。在二战中中美共同开辟的著名的“驼峰”航线上,就是借助发动机的涡轮增压技术,使飞机飞越了有“世界屋脊”之称的喜马拉雅。

飞机突破音障的功臣涡轮喷气式发动机

到20世纪40年代,活塞式发动机发展到顶峰,单台发动机功率达2 800千瓦,功重比达2千瓦/千克,油耗低至0.47千克/千瓦·小时,寿命长达上千小时,装备了上百万架飞机。单从生产数量上看,没有一种飞机用发动机能够比肩活塞式发动机。

由于发动机的功率与飞机速度的3次方成正比,随着飞行速度的进一步提高,发动机功率需要进一步增大,活塞式发动机的重量也迅速增加,已不能满足高速飞行的要求。另一方面,螺旋桨发动机的效率在飞行速度大于700千米/小时后会急剧下降。这些均限制了飞行速度的提高。因此,采用活塞式发动机和螺旋桨组合的飞机,飞行速度不能接近或超过音速。

为提高飞行速度,需要放弃活塞式发动机,研制功率更大、重量更轻的新型航空发动机,这就是喷气式发动机。当喷气式发动机出现后,活塞式发动机退出了航空业的主战场。但活塞式发动机比喷气式发动机油耗低、结构简单、价格便宜,在功率小于200千瓦的小型发动机上仍有一定优势,目前在初级教练机、超轻型飞机、小型无人靶机以及农林业用的小型飞机上应用较广。

喷气式发动机的基本原理是作用力与反作用力,即牛顿第三定律。当人站在小船上向后用力抛东西时,有一股反作用力推着小船往前走。在喷气式发动机中,气体高速向后喷出,推动飞机向相反的方向前进。

喷气式发动机每秒喷出的燃气量越多、速度越高,产生的推力就越大。从能量角度看,流过发动机的气体获得了更大的动能,它由气体的质量、温度和速度决定。为提高流经发动机的气体能量(动能),可以提高流经发动机的气体温度,即使气体充分燃烧。我们知道,气体被压缩后增加了气体密度,单位体积内的气体分子数增多,对燃烧更有利,所以,用压气机对气体压缩后再燃烧,在产生更大动能的同时,增加了气体的压强和势能,增加了流经发动机气体的总能量,也就增加了被转化为推动飞机前进的机械能的总量,使飞机以更快速度飞行。

采用了压气机的喷气式发动机,压气机是由涡轮带动旋转来压缩气体,又称为涡轮喷气式发动机,它在各种喷气式发动机中得到最广泛应用。由于气体燃烧是在燃烧室中进行的,涡轮、压气机和燃烧室就成了这种带涡轮的喷气式发动机的三要素。在此基础上,衍生出多种不同类型的带涡轮的喷气式发动机,如涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等等。在不同类型的涡轮喷气式发动机中,这三要素称为“核心机”。

涡轮喷气式发动机按压气机的不同类型,分为离心式和轴流式。在离心式涡轮喷气式发动机中,气体沿发动机的轴向进入发动机,沿发动机的离心方向(即径向,或辐射向)流出:在轴流式发动机中,气体轴向运动。显然,由于离心式发动机的气体是径向流出的,所以迎风面积较大,阻力较大,效率、气体被压缩的程度以及流通能力都不如轴流式。因此,除早期发展的涡轮喷气式发动机外,绝大多数涡轮喷气式发动机都是轴流式。

压气机主要由不旋转的静子和高速旋转的转子组成。静子和转子的叶片分别称“整流叶片”和“工作叶片”。一排工作叶片后紧跟一排整流叶片。压气机的转子与涡轮通过轴相连,在涡轮的带动下,工作叶片高速旋转,不仅压缩空气、提高压强,而且以较大的速度排出空气。气流离开工作叶片后进入整流叶片,按一定角度排列的整流叶片间的通道呈扩散形状,降低了流速,增大了压强,增压后的空气以一定角度流出整流叶片进入下一级工作叶片。

气体被压缩得越厉害,越容易燃烧,因此,常常采用多级压气机来提高气体的增压比。

燃烧室是将压气机出来的高压空气与燃料混合并燃烧的装置。在燃烧室内,燃料(航空煤油)的化学能转变为热能,使气体温度大大提高。由燃烧室流出的高温高压气体具有很高能量,在燃烧室后的涡轮和尾喷管中膨胀作功。燃烧室由扩压器、燃油喷嘴、涡流器、火焰筒和燃烧室外套等组成。扩压器使压气机出口的气流流速降低、压强升高,以便组织燃烧,火焰筒是空气与燃油混合的地方,火焰筒头部装有喷入燃油的喷嘴和火焰稳定装置,使气流流速进一步降低并形成回流区,以保持火焰稳定。由压气机出来的高压空气在火焰筒头部被分为两股,一股约占总量的25%,进入火焰筒头部及其小孔,与燃油混合燃烧,另一股则由燃烧室外套和火焰筒间的环形通道向后流动冷却火焰筒,最后由火焰筒后部的孔进入火焰筒内,与燃烧区的第一股燃烧后的高温气流掺混,将燃烧室出口的燃气温度降低到涡轮能够承受的温度,并使燃烧室出口温度分布均匀,再流向涡轮。

涡轮的主要作用是将从燃烧室流出的高温、高压燃气的部分能量转变为机械功,带动压气机旋转以压缩气体,并带动螺旋桨、旋翼等部件工作。在带有涡轮的喷气式发动机中,涡轮所承受的热负载、气动负载和机械负载都是最大的。与压气机类似,涡轮也是由静子和转子组成,静子叶片称为导向叶片,转子叶片称为工作叶片。与压气机不同,导向叶片的空气通道呈收缩形,从燃烧室流出的燃气通过导向叶片时,压强和温度降低,速度增加,并按导向叶片规定的方向流向工作叶片。燃气流过收敛的工作叶片时,不仅方向变化,而且继续膨胀,速度增加而压强及温度降低。此时,涡轮工作叶片受到高速燃气的冲击,带动涡轮高速旋转。

除压气机、燃烧室和涡轮外,涡轮喷气式发动机的组成还包括进气道、尾喷管、加力燃烧室及其它一些附属系统。进气道又称进气扩压器,它将飞机远前方自由流动的空气引入发动机并减速增压气流。尾喷管的主要作用是将由涡轮流出的、仍有一定能量的燃气膨胀加速向后排出,以产生向前的推力。有的发动机的尾喷管可以使排气往前折转,形成反向推力,多用在客机的发动机中以辅助刹车,其效果比阻力伞、着陆钩或阻力板好。当前的先进发动机已采用矢量喷管技术,可以改变排气或推力方向,矢量喷管还能代替水平尾翼和垂直尾翼对飞机进行操纵,以后的飞机可以成为无尾飞机。

增压比和涡轮前温度是衡量发动机性能的主要指标之一,分别衡量流经发动机的气体的势能和动能。早期发动机的总增压比为3~5,目前,先进民用发动机的总增压比已高达45以上,先进军用发动机的总增压比在25~35之间。民用发动机的增压比比军用的高,是因为民用飞机有较大的机体,允许发动机有更多的重量和体积。而目前,先进发动机的涡轮前温度已高达1577℃。如果能将涡轮前温度提高到1927℃,可以不再需要加力燃烧来提高发动机功率。

从20世纪60年代开始,发达国家战斗机的发动机逐步被性能更好的涡轮风扇发动机取代。

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