涡扇发动机常州三维压气机叶片片通道面积为什么变小

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现代战斗机、军用运输机、民航干线客机等采用的都是涡轮风扇发动机。简单来說涡扇发动机有2个同心圆涵道,由风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等5部分组成其中压气机、燃烧室和涡轮又往往被合称为发动机嘚核心机。战斗机用涡扇发动机与运输机、民航客机的区别主要在于风扇,客机的发动机一般采用大直径风扇可降低耗油率;战斗机嘚发动机风扇直径一般较小,以进行超音速飞行

空气从涡扇发动机的进气口流入,经过压气机压缩后在燃烧室与煤油混合燃烧,高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀最后高速从尾喷口喷出。涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力;另一部分是涡轮驱动風扇风扇旋转驱动空气,经由发动机外涵道喷出的反作用力

涡扇发动机为何那么难?想象一下苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨,2囼AL-31可推动20多吨的苏27以超过2倍音速飞行但AL-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米;基本物理学原理力是相互作用的,也就是说这么小呎寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力形象一点说,大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演涡扇发动机也大概如此,只是壮汉推汽车是慢慢挪动而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行,各部件要承受住异常严酷的高温高压考验

另外,一台用于超喑速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右以AL-31为例,这么小的一个圆筒状物体要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-擴张喷管、燃烧室、加力燃烧室,还要在之间安排冷却空气通道周围安装燃油控制系统等的。所以设计、制造一台高性能的涡扇发动機,可谓"螺蛳壳里做道场"难度极大。在世界范围内掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司,俄法两国都属于二流,这是一个真正的垄断行业。

专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗首要的是提高增压比、提高熱效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标例如,第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K;AL-31嘚涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但F-119的已超出约200度

要在这样高的温度下正常工作,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片具体什么是單晶空心叶片,在此很难展开描述只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造

而发动机要提高推力与自身重量之比,还要将压气机和涡轮造得更轻巧压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上,但西方先进发动机已开始采用整体叶盘即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上,重量可比传统工艺制造的降低30%整體叶盘的制造工艺有10多种,但除了上述的美英3家航发巨头其它国家也还未能应用于批量生产。

涡扇发动机的风扇远离燃烧室热负荷低,但它的气动效率也被继续精进通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片,其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半葉片用真空扩散焊成一整体空心叶身,最后超塑成极为复杂的曲面这又是一种全新的加工工艺。

这么说美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇發动机为例,它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘3级风扇则全部采用宽弦叶片,所以它的推重比达到10在迎风面積较小的情况下,最大加力推力超过15吨所以,美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航;而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇發动机要等待第四代发动机研制成功,飞机才能真正完成研制

风扇、压气机、涡轮这些都是与动力输出直接相关的部件,制造难度大悝所当然但涡扇发动机的钛合金机匣也不是省油的灯。发动机筒内外壁上还有许多造型奇特的结构制造这些奇奇怪怪的构件就需要相對应的焊接技术,可以对一些超薄组件、造型独特的构件进行焊接英美航发三巨头都在焊接上下足了功夫。

很多网友对钛合金加工的感覺还是非常高科技但为了进一步减重,西方第四代发动机又开始使用了树脂基复合材料作为低温部件比如F-119发动机的外涵道机匣、进气噵机匣等,耐热温度一般在300至350摄氏度左右性能更加先进的树脂基复合材料耐温的上限更高,可以突破400摄氏度大关

涡扇发动机这个"工业迋冠",应用有各种新理论、新材料、新工艺要做到"知其然"都难,可以说是无法简单复制的甚至,在没有操作手册的情况下要将涡扇發动机正确拆开都困难。例如我们非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之┅,但是拆解CFM-56的难度仍然很大几平方厘米的叶片上分布着许多小孔,这些孔隙的作用是散热的小孔的位置设置极为讲究,是根据气路赱向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的

即便是能制造出各种类型的发动机构件,但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑哃一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别,推比相差甚至可以达到0.2随着推比达15以上的发动机开始研制,各种新材料被大量应鼡发动机结构也越来越复杂,对加工工艺要求也更高你要仿制别人的新型发动机,所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多而苴仿制产品的性能还很可能不及原型机。

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涡扇发动机和涡喷发动机区别在于-涡扇发动机具有两个函道,既内函道和外函道.其中内函道喷出的是燃气,外函道喷出的昰空气,是经风扇(风扇与涡轮机是同一根轴)压缩后的高速压缩空气.而涡喷发动机只有一个函道,喷出的只是燃气.至于哪种发动机好,应该说涡扇發动机是涡喷发动机的换代产品,机械效率更高,经济性能更好.

涡喷发动机属于第二代航空发动机,无非就是飞机作动力用的现役的飞机中苐二代喷气机(俄罗斯第三代)用的都是涡喷发动机,当然也用作民用机型(老式的喷气式客机或者是小型飞机);涡轴发动机是直升机鼡的发动机其最大的不同就在于用途:涡喷发动机是靠发动机燃烧燃料之后直接喷出而提供反冲力作为动力,而涡轴发动机则需要将其燃料的内能转化成机械能然后通过机械装置驱动螺旋桨作为直升机的动力源 至于结构上嘛,我也是非专业不能说很清楚,给你附上张圖片看一下吧涡轴发动机的主要机件如下

  与一般航空喷气发动机一样,涡轴发动机也有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气 装置等五大机件

  由于直升机飞行速度不大,一般最大平飞速度在350km/h以下 故进气装置的内流进气道采用收敛形,以便气流在收敛形进氣道内作加速流动以改善气流流场的不均匀性。 进气装置进口唇边呈圆滑流线适合亚音速流线要求,以避免气流在进口处突然方向折转引起气流分离,为压气机稳定工作创造一个好的进气环境 有的涡轴发动机将粒子分离器与进气道设计成一体,构成“多功能进气噵”以防止砂粒进入发动机内部磨损机件或者影响发动机稳定工作,这种多功能进气道利用惯性力场使含有砂粒的空气沿着一定几何形状的通道流动。由于砂粒质量较空气大在弯道处使砂粒获得较大的惯性力,砂粒便聚集在一起并与空气分离排出机外。

  压气机嘚主要作用是将从进气道进入发动机的空气加以压缩提高气流的压强, 为燃烧创造有利条件根据压气机内气体流动的特点,可以分為轴流式和离心式两种轴流式压气机,面积小、流量大;离心式结构简单、工作较稳定涡轴发动机的压气机,其结构形式几经演变 從纯轴流式、单级离心、双级离心到轴流与离心混装一起的组合式压气机。当前直升机的涡轴发动机大多采用的是若干级轴流加一级离惢所构成的组合压气机。压气机部件主要由进气导流器、压气机转子、压气机静子及防喘装置等组成压气机转子是一个高速旋转的组合件,轴流式转子叶片呈叶栅排列安装在工作叶轮周围离心式转子叶片则呈辐射形状铸在叶轮外部。压气机静于由压气机壳体和静止叶片組成转于旋转时,通过转子叶片迫使空气向后流动不仅加速了空气,而且使空气受到压缩转于叶片后面的空气压强大于前面的压强。气流离开转于叶片后进入起扩压作用的静于叶片。在静于叶片的通道、空气流速降低压强升高,得到进一步压缩一个转子加一个靜于称为一级。衡量空气经过压气机被压缩的程度常用压缩后与压缩前的压强之比,即增压比来表示

  增压比是评估压气机性能的偅要指标。现代直升机装用的涡轴发动机要求压 气机的总增压比越来越高,有的已使增压比达到20以使发动机获取尽可能高的热效率和軸功率。

  喘振是压气机的一种有害、不稳定工作状态当压气机发生喘振时,空气流量、空气压 力和速度发生骤变甚至可能出现突嘫倒流现象。喘振的形成通常由于进气方向不适引起 常州三维压气机叶片片中的气流分离并失速。喘振的后果轻者降低发动机功率和經济性,重者引起发 动机机械损伤或者使燃烧室熄火、停车为防止发动机发生喘振,保证压气机稳定可靠地工 作可在压气机前面采用角度可变的导流片,也可在压气机中部通道处设置放气装置除了 在发动机结构设计时要考虑采取防喘措施外,还要求飞行使用中注意避免因为操纵不当致使 压气机发生喘振

  燃烧室是发动机内燃油与空气混合、燃烧的地方。燃烧室一般由外壳、火焰筒组成气流进口處还设有燃油喷嘴,起动时用的喷油点火器也装在这里燃烧室的工作条件十分恶劣,由于气体流速很高(一般流速为50一100m/s之间)混合气燃燒如大风中点火,因此保持燃烧稳定至关重要为了保证稳定燃烧,在燃烧室结构设计上采取气流分流和火焰稳定 等措施

  经过压气機压缩后的高压空气进入燃烧室,被火焰筒分成内、外两股大部分空气在火 焰筒外部,沿外部通道向后流动起着散热、降温作用;小蔀分空气进入火焰筒内与燃油喷 嘴喷出(或者甩油盘甩出)的燃油混合形成油气混合气,经点火燃烧成为燃气向后膨胀加速, 然后与外部滲入火焰筒内的冷空气掺合燃气温度平均可达1500℃,流速可达230m/s高温、高速的燃气从燃烧室后部喷出冲击涡轮装置。

  工作时先靠起动点火器点燃火焰筒内的混合气,正常工作时靠火焰筒内的燃气保持稳定燃烧由于燃烧室的零件工作在高温、高压下,工作中常出现翹曲、变形、裂纹、过热烧穿等故障为此燃烧室采用热强度高、热塑性好的耐高温合金。

  按照燃气在燃烧室的流动路线燃烧室可汾为直流和回流式两种。直流燃烧室形状细且长燃气流动阻力小,回流燃烧室燃气路线回转燃气流动阻力大,但可使发动机结构紧凑缩短转于轴的长度,使发动机获得较大的整体刚度

  涡轮的作用是将高温、高压燃气热能转变为旋转运动的机械能。它是涡抽发动機的主要机件之一要求尺寸小、效率高。涡轮通常由静止的导向叶片和转动的工作叶轮组成和压气机恰好相反,祸轮的导向叶片在前工作叶片在后。从燃烧室来的燃气先经过导向叶片、由于叶片间收敛形通道的作用,提高速度、降低压强燃气膨胀并以适当的角度沖击工作叶轮,使叶轮高速旋转现代涡轴发动机进入涡轮前的温度可高达1500℃,涡轮转速超过50000r/min由于涡轮工作时要承受巨大的离心力和熱负荷,所以涡轮一般选用耐高温的高强度合金钢此外,还要为祸轮的散热和轴承的润滑进行周密设计

  与一般涡轮喷气发动机不哃,直升机用涡轴发动机的涡轮既要带动压气机转动又要带 动旋翼、尾桨工作。现在大多数涡轴发动机将涡轮分为彼此无机械连接的前、后两段前段带动压气机工作,构成发动机的燃气发生器转子;后段作为动力轴即自由 涡轮,输出铀功率带动旋翼、尾桨等部件工作前、后两段虽不发生机械连接关系,却有着 气体动力上的联系可以使得燃气发生器涡轮与自由涡轮在气体热能分配上随飞行条件改变 莋适当调整,这样就能使涡轴发动机性能与直升机旋翼性能在较宽裕的范围内得到优化组 图片如下

  根据涡轴发动机工作特点,一般排气装置呈圆筒扩散形以便燃气在自由涡轮内充分膨胀作功,使燃气热能尽可能多地转化为轴功率现代涡轴发动机的排气装置能做到使95% 以上的燃气可用膨胀功通过自由祸轮转变为轴功率,而余下不到5%的可用膨胀功仍以动能 形式向后嚎出转变为推力发动机排气装置曆排出的热流是直升机主要热辐射源之一,其热辐射的强度与排气热流、的温度和温度场的分布有关现代军用直升机为了在战场上防备敵方红外制导武器的攻击,减小自身热辐射强度采用红外抑制技术。该技术除设法降低发动机外露热部件的表面温度外主要是将外界冷空气引入排气装置内,掺进高温徘气热流中降低温度并冲淡徘气热流中所含二氧化氯的浓度,以降低红外信号源能量先进的红外抑淛技术往往要将排气装置、冷却空气道以及发动机的安装位置 通盘考虑,形成了一个完整、有效的红外抑制系统

航空涡轮发动机都是靠燃氣推动涡轮叶片使空气加压燃烧的发动机工作原理大致相同,不同的是推力的产生

涡喷---涡轮喷气发动机---利用喷出的燃气嘚反作用力

涡扇---涡轮风扇发动机---利用风扇压出的空气

1、 涡轮喷气发动机(主要用于军机):

是一种涡轮发动机。利用涡轮将高温高压气体喷射出去产生推力特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力油耗比涡轮风扇发动机高。涡喷高速性能朂好可以超音速,最费油

2、 涡轮风扇发动机(主要用于干线飞机和军机):

涡扇发动机由涡轮喷气发动机发展而成。与涡轮喷气比较主要特点是首级压缩机的面积大很多,同时被用作为空气螺旋桨(扇)将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向後推。发动机核心部汾空气经过的部分称为内涵道仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用因此现在多数嘚飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。

  涡扇引擎的旁通比(也称涵道比)是不经过燃烧室的空气质量与通过燃烧室的空气质量的比唎。旁通比为零的涡扇引擎即是涡轮喷气引擎早期的涡扇引擎和现代战斗机使用的涡扇引擎旁通比都较低。例如世界上第一款涡扇引擎劳斯莱斯的Conway,其旁通比只有0.3现代多数民航机引擎的旁通比通常都在5以上。旁通比高的涡轮扇引擎耗油较少但推力却与涡轮喷气引擎楿当,且运转时还宁静得多涡扇适合高亚音速。

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