解释涡轮喷气发动机的原理。
涡轮喷气发动机用于飞机。它们是吸气式发动机,从大气中吸入空气进行燃烧。它具有各种部件,例如进气口、压缩机、燃烧室、涡轮机和喷嘴。空气被吸入涡轮喷气发动机,被压缩,与燃料混合,并连续燃烧。
燃烧的排放物驱动涡轮机为压缩机提供动力,产生推力以推动飞机前进。涡轮螺旋桨发动机用于较小和速度较慢的飞机,因为涡轮喷气发动机在低速下效率不高,而涡扇发动机比涡轮喷气发动机的燃油消耗率更低。这些发动机通常安装在机翼下方或靠近机尾。
Heinkel He 178于1939年8月27日成为世界上第一架在涡轮喷气动力下飞行的飞机。早期的设计受到技术缺乏的限制。当时,能够承受高温的材料尚未发明。
涡轮喷气发动机的设计
进气口:进气口形成空气的通道,并将空气引导到压缩机。它减少湍流并将气流导向压缩机。对于亚音速飞机,进气口设计成厚唇,而对于超音速飞机,进气口设计成尖锐或薄唇以最大限度地减少激波引起的阻力。
压缩机:现代飞机使用轴流式压缩机。压缩机由连接到由涡轮驱动的轴上的旋转叶片和静止叶片组成。发动机启动后,这将形成一个循环。压缩机的功能是压缩通过进气口进入的空气,以提高其压力和温度。燃烧室需要这个过程来燃烧燃料。
旋转叶片称为转子,静止叶片称为定子。定子和转子交替排列。转子以平行于轴向方向的螺旋方向旋转气流,而定子引导气流。这种螺旋运动将空气的压力提高15倍,在涡扇发动机的情况下,可高达44倍。
燃烧室:来自压缩机的高压空气现在被强制送入燃烧室,在那里它与燃料充分混合并被点燃。燃烧室的设计必须能够承受高温,并且燃烧应仅在燃烧室内进行,因为如果燃烧进入涡轮机,则由于热量会损坏涡轮机。
燃烧室有一个外壳,作为容器来承受高温和高压。压缩机中的扩散器用于将来自压缩机的压缩空气减速到最佳燃烧速度。燃油喷射器将燃油喷射到压缩机中,在那里它与压缩空气混合。这种混合物借助点火器点燃,点火器产生火花来点燃混合物。
涡轮机:热混合物离开燃烧室,并通过涡轮机膨胀。这种混合物使涡轮叶片旋转。这些叶片连接到压缩机中存在的同一轴上。因此,涡轮机旋转这个轴,从而驱动压缩机。涡轮机还膨胀气体并将其加速到喷嘴。由于涡轮机将承受高温气体,因此为涡轮机选择的材料应具有耐热性。
喷嘴:来自涡轮机的燃气通过喷嘴进一步膨胀。气体绝热膨胀,因此效率更高。喷嘴提高了排气的速度,从而产生推力。喷嘴有各种形状,例如收敛喷嘴、发散喷嘴和收敛-发散 (C-D) 喷嘴。