航空發動機分類大致分為兩種,活塞航空發動機和渦輪航空發動機。
渦輪航空發動機根據用途,又可以分為渦輪螺旋槳、渦輪風扇、渦輪軸(接直升機槳葉)。
當然還有超音速的衝壓發動機,脈衝衝壓發動機,基本原理大致一樣,這裡主要講渦輪風扇發動機。
渦輪風扇發動機,顧名思義在渦輪上外接一個大風扇,但是要和渦輪螺旋槳區別開,目前大型客機的主要發動機就是渦輪風扇發動機,其動力來源就是大涵道比的風扇產生的推力。
客機兩個渦輪風扇發動機
渦輪風扇發動機的原理
首先強調的是渦輪風扇發動機工作的環境是高速亞音速飛行。工作原理和活塞發動機其實是可以相對應的,有吸氣、壓縮、做功、排氣,這四個過程。這樣有助於我們更好的理解它。
渦輪風扇發動機對於活塞發動機過程圖
渦輪風扇發動機是風扇提供主要推力,而中間的渦輪為風扇提供動力,不過渦輪也提供一部分推力。
渦輪風扇發動機進氣口設計
渦輪風扇發動機進氣口設計呈擴散型的形狀,講這個之前我不得不提一下伯努利的連續性方程,這個方程在飛機動力學上可以說是起到關鍵性作用。
連續性方程圖解
簡單來說,根據截面積的變化來改變空氣的流速,流速的變化反應就是動壓的變化,從而改變靜壓。公式:P總=P靜+P動
發動機的進氣口設計呈擴散性,有利於在飛行過程中產生衝壓效應。但是凡事不是完美的,對於低速氣流,和飛機靜止的時候容易造成發動機葉片失速。
亞音速高速氣流
進氣口擴散型將空氣動壓轉成靜壓
飛機在飛行過程中,高速氣流在通過擴散性進氣口,導致空氣減速動壓減少,但是總壓是不變的,所以使靜壓升高,這樣有利於空氣的進一步壓縮,這個就是衝壓效應。
前面提到,飛機在低速氣流和地面情況下發動機運轉,沒有足夠或者沒有相對氣流的情況下,發動機進氣口在壓縮機的吸力下會產生真空,導致發動機失速從而產生pumping簡單就是,發動機內部燃燒壓力往前衝,造成發動機振動,損傷葉片。
相對氣流小產生失速風險
因此要求飛機發動機的進氣口設計呈足夠的圓形,和有幅度,有利於空氣流的進入。並且在周圍增加進氣門,有利於飛機在地面啟動有足夠的氣流進入,以防止發動機失速。
進氣口圓形設計和進氣門
進氣口除冰裝置
飛機在高速飛行時,由於空氣的絕熱膨脹,導致進氣口溫度降低容易造成發動機進氣口邊緣結冰,破壞進氣氣流,嚴重會造成發動機失速。
結冰的進氣口和風扇葉片
因此飛機進氣口裝有除冰裝置,其加熱源方式是來自發動機的壓縮空氣,溫度大約300℃。
進氣口加熱
其他對進氣口影響
冰雹對空氣進氣口壓力影響是很大的,冰雹不僅僅會破壞進氣口的光滑度,還會損傷風扇葉片,更有甚者會堵塞發動機洩壓口,引起發動機爆炸。
進氣口被砸成傷痕累累
還有一個因素就是亂流,飛機在亂流的情況下,飛機不能得到穩定的進氣流,也會造成失速,這就是為什麼當年,王偉烈士在美國飛機干擾下飛機墜毀的原因,因為發動機仰角過大,進氣壓力不足,導致發動機失速墜毀,緬懷烈士。
因此飛機在起飛的情況下都會逆風起飛,為了更好讓氣流進入發動機。
雷暴
雷暴區域存在強大亂流,在沒有極特別情況下,飛機都會繞飛。