噴氣式飛機發動機燃燒所產生的氣體為什麼只會從一個方向噴出?

百尺樓主人


直接答案:是由發動機的結構決定的。

1935年6月世界上第一臺噴氣式發動機試轉成功,噴氣式航空發動機發明以來就一直在航空界承擔著重要的角色,它們的工作原理也很簡單,就是牛頓第三定律:作用力與反作用力的原理。

可以這樣為孩子講解牛頓第三定律,將一個大號的氣球吹大後鬆手,氣球會自然地收縮將氣體從出口噴出,氣球在氣流的反作用下就會向前運動。

下面解答提問者的疑問,噴氣式航空發動機內部前後都是通透的,為什麼燃燒後的高壓氣體不從發動機前面噴出?

以民航中常用的渦輪扇發動機(噴氣式發動機的一種機型)為例,噴氣式發動機的結構如下:

渦輪扇發動機原理

內涵道按照氣流的方向從前到後分別為風扇、低壓壓縮機、高壓壓縮機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和排氣系統。其中風扇、低壓壓縮機、高壓壓縮機的作用相同,就是為燃燒室提供高溫空氣的,冷空氣被風扇吸入,經過低壓壓氣機和高壓壓氣機壓縮並且預熱到450攝氏度足有,進入燃燒室,燃燒室內部就是一些航空煤油的噴嘴,煤油在這裡被點燃,空氣被進一步加熱,空氣在這裡極度膨脹後從後部噴出,從而為飛機獲得向前的反作用力。

圖釋:渦輪扇發動機結構圖

風扇的作用

後來改進設計加裝的風扇作用非常強大,空氣通過風扇後經過外涵道直接噴出,風扇獲得很大的向前的反作用力,大部分向前的力其實來源於這裡,從而提高了飛機動力,提升了燃油經濟性。

渦輪的作用

高壓渦輪、低壓渦輪與壓縮機是同軸的,其作用是從高速向後噴射的氣流中獲得旋轉動力,為高壓壓氣機和低壓壓氣機提供動力。

如下圖示:燃燒室口徑本身是前小後大,因此燃燒的高溫氣流傾向於向後方的廣口噴出,加上前面後風扇和低壓壓縮機、高壓壓縮機壓過來的氣流,高溫氣體不可能從前面流出。

綜上,通過風扇、壓縮機、燃燒室、渦輪共同完成了的進氣、壓縮、燃燒、噴氣的工作過程,使得飛機獲得向前的動力。

飛機發動機是一國工業水平的象徵,別譽為“工業之花”,體現了一個國家制造工藝的發展水平。

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這是發動機的機構決定的。至於問題所提到的氣流為什麼不從吸氣口排除,這是由於氣壓的不同造成的。不管是氣流、電流、液流,其都有共同的規律,就是就流動路徑而言,首先從阻力最低的地方通過。因此在飛機發動機上,由於前段是風扇、壓縮機、燃燒室,後段是排氣口直接於將燃氣排至大氣,因此後段的壓力較前段低很多,按之前所的原理,燃氣只會從尾部排出而不會由於所說的作用力與反作用力從吸氣口排氣。但有種特殊情況會發生類似的這種現象,就是排氣系統排氣出現問題,會導致燃氣不能很好排氣,這時壓力不能得到釋放,當集聚到一定程度就會竄入前部,這就是發動機中說的喘振現象,喘振嚴重時將破壞壓縮機葉片和旋轉部件,因此飛機發動機是不允許喘振的,一旦出現就要求機組成員採取措施消除喘振。不知道這樣解釋能不能幫到你。


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航空發動機專業的同學一定要過來回答一下這個問題。其實這個問題比較複雜,我儘量講的容易一些。

其實航空渦輪發動機雖然結構非常複雜,但是原理上卻是很簡單的東西,無非就是利用航空燃料和氧氣混合燃燒產生的能量來為飛機提供動力的裝置。

如下圖所示,空氣經過壓力機之後進入燃燒室,混合燃料後點燃,然後進入渦輪,推動渦輪轉動,最後經過尾噴口和加力燃燒室噴出。

然後我們來說很多人心中的一個疑問:比如說你現在點燃一根爆竹,火藥燃燒會產生高溫高壓的氣體——這些氣體會向四面八法同時膨脹的,而且是哪兒有出口就往哪兒鑽,那麼為什麼在發動機裡面點燃了氣體之後只往後噴,不往前噴呢?

理解這個問題的關鍵是兩點:1,高溫不等於高壓;2,氣體往哪兒流主要看壓力。

氣體燃燒之後變熱之後,唯一發生的現象是“膨脹”,只有當膨脹受阻之後,壓力才會變高——所以高溫的氣體不一定有高壓,只有放在一個體積首先的空間裡面,高溫才會轉化為高壓——如果在一片空曠的區域內點燃氣體,這些氣體會充分膨脹,而壓力不會升高。

而在航空發動機的燃燒室內,燃氣的燃燒是“等壓燃燒”,壓力不變,只有體積膨脹。【如下圖所示,就是模擬的發動機燃燒室內的氣體,這部分氣體體積越變越大,但是壓力不變】。

所以不要看發動機燃燒室內氣體燃燒的轟轟烈烈,但是這些氣體的壓力並不會比剛進入燃燒室的時候壓力更大。

而我們看整個發動機內的壓力分佈,如下圖所示,那條藍色的線就是總壓線,可以看到,氣體在進入到發動機之後壓力一路升高,但是從壓氣機出來之後,即便是在燃燒室中被點燃,這些氣體的壓力不僅沒有上升,還有些許下降【因為流動過程有能量損失】,所以這些燃氣並不會迴流,而是流動到下游的渦輪中去。

那麼為什麼在壓力最高點的地方(壓氣機出口),氣體不反著流動呢?答案就是:“因為前面是壓氣機呀!”壓氣機的作用就是把氣體由低壓壓縮成高壓,所以氣體可以向著壓力增大的方向流動,而不是反向流動。

換句話說,一旦壓氣機不能給氣體這種逆流而上的能力,那麼燃燒室中的高壓氣體就會反向流動——這就是傳說中的“發動機喘振”了

最後總結一下吧,當航空發動機的氣體從壓氣機出來之後,壓力一直是在降低的,即便是經過摻混燃料點燃之後,由於是等壓燃燒,所以壓力還是保持平穩(甚至下降),所以氣體會一直向著下游流動,而不是反向流動。


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設計出來的。


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