《武器的秘密》第41期：细微之处见真章:略谈喷气发动机结构与工作原理

源济

细微之处见真章:略谈喷气发动机结构与工作原理
新浪军事  2016年06月01日

众所周知，战斗机的心脏就是发动机，一款好的发动机可以使战斗机身强力壮。本期武器的秘密为大家介绍各种喷气发动机的结构和工作原理，并对比分析美英法俄和国内几款主流发动机的结构与特点。





最简单的喷气发动机是冲压发动机，其结构类似烟囱，只不过出口更小以增大排气速度。与气球喷气飞行原理相同，在发动机喷口处产生一个高速的喷气，从而产生一个反作用力推动飞机飞行。这种发动机结构简单、重量轻、成本低，缺点是无法直接从静止状态下起飞，通常用作导弹的动力。





在冲压发动机燃烧室前后增加涡轮与压气机就变成了涡喷发动机。燃气涡轮发动机是使用空气作为提供推力的工作流体，必须增加通过发动机的空气的速度产生动能。从燃烧室出来的高温高压燃气首先冲击涡轮，涡轮继而带动压气机继续压缩空气，以此不断循环。





我国比较有代表性的涡喷发动机是WP-6，涡轮前燃气温度 1143K（870℃），军用推力25.5KN，加力推力31.8KN 推重比4.59。该发动机安装在了J-6，Q-5两型飞机，WP-6及其改型是我国生产量最大的发动机，估计总数在7000台左右。





为克服涡喷发动机油耗高，噪音大的缺点，人们又发明了涡轮风扇发动机。即在涡喷发动机的前部增加一个低压风扇，使部分空气通过外涵道绕过高压压气机、燃烧室与涡轮直接到喷管排出发动机。涡轮风扇发动机油耗更低，推力更大，噪音也更小，是目前使用最广泛的喷气式发动机。





涵道比是涡扇发动机的重要概念：通过外涵道的冷空气流量与通过高压系统的空气流量的比值。在涵道比为5.0左右的涡扇发动机中，外涵道产生的推力能占总推力的80%左右。高涵道比大推力涡扇发动机是目前大客机的唯一选择，涵道比一般在5-7之间。战斗机的涵道比一般小于1。





为使高压部分与低压部分协调，目前多数涡扇发动机采用双转子。即发动机内有两个转轴，低压转轴与高压转轴：前者包括低压风扇和低压涡轮一个转轴，后者包括高压压气机与高压涡轮一个转轴。高压涡轮带动高压压气机，低压涡轮带动低压压气机/风扇。两转轴各自工作在最佳的转速上。





为获得更高的推力，更低的油耗和噪音，人们在双转子涡扇发动机基础上研究了3转子涡扇发动机，增加了一个中压转子，这样可以提高转速，减少压气机总级数，更高效的利用涡轮的能量。3转子发动机结构复杂，因此目前使用并不广泛。英国罗罗公司在三转子发动机领域处于领先地位。





另一种提高涡扇发动机性能的技术是压气机风扇传动齿轮箱技术。即在低压压气机与风扇间安装一个传动齿轮箱，把压气机的高转速降低为风扇的低转速。这样在降低风扇转速的同时进一步加大了风扇的尺寸，而又不影响压气机的压缩效率。目前的代表产品是普惠的PW1000G系列发动机。





军用涡扇发动机与民用型的最大区别是有加力后燃器，即在发动机低压涡轮后方再加一个燃烧室，使低压涡轮出来的高温燃气再次与燃油混合二次燃烧，短时间内使推力提高2倍。从外观上判断发动机是否具备加力燃烧室就看尾喷管是固定的还是可收扩的，无加力燃烧室的发动机喷管是固定的。





俄罗斯的D-30涡扇发动机是一款有代表性的军民两用发动机，其带加力燃烧室的版本为D-30F6，主要应用于MIG-31，D-30KP用于IL-76运输机、轰6-K轰炸机和运-20运输机，民用版本（不带加力燃烧室）如D-30KU-154，用于图-154客机等。





涡轮风扇发动机启动的顺序一般是先通过辅助动力单元APU的小发动机来带动低压压气机或直接推动高压涡轮转动到能维持工作循环的转速。在地面冷启或在台架上维修发动机时，可用发动机启动车来提供高压气流吹动附件机匣上的小涡轮启动发动机压气机，带动高压涡轮达到工作转速。





燃气涡轮发动机的高压核心机部分（高压压气机、燃烧室、高压涡轮）可加装大口径低压风扇成为民用发动机，加装螺旋桨变为涡浆发动机，加装旋翼变为涡轴发动机。带动舰船螺旋桨就成为船用燃气轮机。美国M1坦克就使用了AGT1500燃气轮机，是世界首个使用燃气轮机的主战坦克。





发动机测试中的高空台全称高空模拟试验台，目的是在地面模拟高空飞行条件，从而验证和考核发动机的高空飞行特性。位于秦岭的SB101是我国唯一的发动机高空模拟试验台，为亚洲第一。日用电量相当于一个250万人口的城市，冷却设备用水日消耗量相当于一个450万人口的城市。





目前我国研制成功的比较有代表性地军用涡扇发动机如下几款。WS-9秦岭，基于英国罗罗公司的斯贝，是JH7的动力。 WS-10太行是我国自主研制的首款大推力涡扇，目前应用于J11B、J15、J10B上。WS-13泰山设计基于RD-33，大部分零件与RD-33通用。





发动机技术领域还有一种变循环技术，即综合不同发动机的工作特性于一身。首先是黑鸟所使用的普惠J58变循环发动机是把涡喷发动机和冲压发动机融合在一起。黑鸟因此可达到3.2马赫的高速。此外GE YF120发动机也是变循环发动机，但最终由于技术难度过大被取消。





在军用发动机领域，美国的普惠和通用动力代表了当今世界的最高水平。相比之下欧洲的EuroJet公司虽为多国联合却仅能排第二梯队。EuroJet的EJ200加力推力为90KN，推重比9.3，而普惠的F135-PW-100达到了加力推力190KN，推重比11.46。





目前我国研制中的WS15是推重比10级别的四代机发动机，装机对象是我国的J20，可不开加力使J20超音速巡航。其设计目标为超越F119发动机。资料称WS15设计加力推力为197KN，这比F119推力增大了27%，达到了F135的水平。本期武器的秘密就到这里，我们下期见。

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