【簡(jiǎn)介：】渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。特點(diǎn)是完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力。通常用作高速飛機(jī)的動(dòng)力。油耗比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)高。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)分為離心式與軸流式兩種，離心式由英國(guó)人弗蘭

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。特點(diǎn)是完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力。通常用作高速飛機(jī)的動(dòng)力。油耗比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)高。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)分為離心式與軸流式兩種，離心式由英國(guó)人弗蘭克·惠特爾爵士于1930年取得發(fā)明專利，但是直到1941年裝有這種發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)才第一次上天，沒(méi)有參加第二次世界大戰(zhàn)，軸流式誕生在德國(guó)，并且作為第一種實(shí)用的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me-262的動(dòng)力參加了1945年末的戰(zhàn)斗。相比起離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，軸流式具有橫截面小，壓縮比高的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)今的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)均為軸流式。 [編輯本段]原理及工作方式

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用噴氣推進(jìn)避免了火箭和沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)固有的弱點(diǎn)。因?yàn)椴捎昧藴u輪驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)，因此在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也有足夠的壓力來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進(jìn)空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過(guò)程之后，得到能量和動(dòng)量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(shí)(2253公里/小時(shí))的速度從推進(jìn)噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械布局比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗话瑑蓚€(gè)主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機(jī)和渦輪，還有一個(gè)或者若干個(gè)燃燒室。然而，并非這種發(fā)動(dòng)機(jī)的所有方面都具有這種簡(jiǎn)單性，因?yàn)闊崃蜌鈩?dòng)力問(wèn)題是比較復(fù)雜的。這些問(wèn)題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過(guò)壓氣機(jī)和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃?xì)獠⑿纬赏七M(jìn)噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作造成的。

飛機(jī)速度低于大約450英里/小時(shí)(724公里/小時(shí))時(shí)，純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低于螺旋槳型發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因?yàn)樗耐七M(jìn)效率在很大程度上取決于它的飛行速度；因而，純渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)最適合較高的飛行速度。然而，由于螺旋槳的高葉尖速度造成的氣流擾動(dòng)，在350英里/小時(shí)(563公里/小時(shí))以上時(shí)螺旋槳效率迅速降低。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機(jī)不用純渦輪噴氣裝置而采用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組合 -- 渦輪螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)。 螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)越性在一定程度上被內(nèi)外涵發(fā)動(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的引入所取代。這些發(fā)動(dòng)機(jī)比純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)流量大而噴氣速度低，因而，其推進(jìn)效率與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，超過(guò)了純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。

渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度)與沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，在高馬赫數(shù)時(shí)具有良好的性能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的周?chē)且缓?，前部具有可調(diào)進(jìn)氣道，后部是帶可調(diào)噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數(shù)3以下的飛行狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式；當(dāng)飛機(jī)加速到馬赫數(shù)3以上時(shí)，其渦輪噴氣機(jī)構(gòu)被關(guān)閉，氣道空氣借助于導(dǎo)向葉片繞過(guò)壓氣機(jī)，直接流入加力噴管，此時(shí)該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。這種發(fā)動(dòng)機(jī)適合要求高速飛行并且維持高馬赫數(shù)巡航狀態(tài)的飛機(jī)，在這些狀態(tài)下，該發(fā)動(dòng)機(jī)是以沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方式工作的。

渦輪/火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，一個(gè)重要的差異在于它自備燃燒用的氧。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一多級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)的低壓壓氣機(jī)，而驅(qū)動(dòng)渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產(chǎn)生的。因?yàn)槿細(xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)3500度，在燃?xì)膺M(jìn)入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然后這種富油混合氣(燃?xì)?用壓氣機(jī)流來(lái)的空氣稀釋，殘余的燃油在常規(guī)加力系統(tǒng)中燃燒。雖然這種發(fā)動(dòng)機(jī)比渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)小且輕，但是，其油耗更高。這種趨勢(shì)使它比較適合截?fù)魴C(jī)或者航天器的發(fā)射載機(jī)。這些飛機(jī)要求具有高空高速性能，通常需要有很高的加速性能而無(wú)須長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。 [編輯本段]結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣道 軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖，空氣首先進(jìn)入進(jìn)氣道，因?yàn)轱w機(jī)飛行的狀態(tài)是變化的，進(jìn)氣道需要保證空氣最后能順利的進(jìn)入下一結(jié)構(gòu)：壓氣機(jī)(compressor，或壓縮機(jī))。進(jìn)氣道的主要作用就是將空氣在進(jìn)入壓氣機(jī)之前調(diào)整到發(fā)動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在超音速飛行時(shí)，機(jī)頭與進(jìn)氣道口都會(huì)產(chǎn)生激波(shockwave，又稱震波)，空氣經(jīng)過(guò)激波壓力會(huì)升高，因此進(jìn)氣道能起到一定的預(yù)壓縮作用，但是激波位置不適當(dāng)將造成局部壓力的不均勻，甚至有可能損壞壓氣機(jī)。所以一般超音速飛機(jī)的進(jìn)氣道口都有一個(gè)激波調(diào)節(jié)錐，根據(jù)空速的情況調(diào)節(jié)激波的位置。

兩側(cè)進(jìn)氣或機(jī)腹進(jìn)氣的飛機(jī)由于進(jìn)氣道緊貼機(jī)身，會(huì)受到機(jī)身附面層(boundary layer，或邊界層)的影響，還會(huì)附帶一個(gè)附面層調(diào)節(jié)裝置。所謂附面層是指緊貼機(jī)身表面流動(dòng)的一層空氣，其流速遠(yuǎn)低于周?chē)諝?，但其靜壓比周?chē)撸纬蓧毫μ荻?。因?yàn)槠淠芰康?，不適于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)而需要排除。當(dāng)飛機(jī)有一定迎角(angle of attack，AOA，或稱攻角)時(shí)由于壓力梯度的變化，在壓力梯度加大的部分（如背風(fēng)面）將發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象，即本來(lái)緊貼機(jī)身的附面層在某一點(diǎn)突然脫離，形成湍流。湍流是相對(duì)層流來(lái)說(shuō)的，簡(jiǎn)單說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)不規(guī)則的流體，嚴(yán)格的說(shuō)所有的流動(dòng)都是湍流。湍流的發(fā)生機(jī)理、過(guò)程的模型化現(xiàn)在都不太清楚。但是不是說(shuō)湍流不好，在發(fā)動(dòng)機(jī)中很多地方例如在燃燒過(guò)程就要充分利用湍流。

壓氣機(jī) 壓氣機(jī)由定子(stator)頁(yè)片與轉(zhuǎn)子(rotor)頁(yè)片交錯(cuò)組成，一對(duì)定子頁(yè)片與轉(zhuǎn)子頁(yè)片稱為一級(jí)，定子固定在發(fā)動(dòng)機(jī)框架上，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與渦輪相連?，F(xiàn)役渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一般為8－12級(jí)壓氣機(jī)。級(jí)數(shù)越多越往后壓力越大，當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)突然做高g機(jī)動(dòng)時(shí)，流入壓氣機(jī)前級(jí)的空氣壓力驟降，而后級(jí)壓力很高，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)后級(jí)高壓空氣反向膨脹，發(fā)動(dòng)機(jī)工作極不穩(wěn)定的狀況，工程上稱為“喘振”，這是發(fā)動(dòng)機(jī)最致命的事故，很有可能造成停車(chē)甚至結(jié)構(gòu)毀壞。防止“喘振”發(fā)生有幾種辦法。經(jīng)驗(yàn)表明喘振多發(fā)生在壓氣機(jī)的5，6級(jí)間，在次區(qū)間設(shè)置放氣環(huán)，以使壓力出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)泄壓可避免喘振的發(fā)生?；蛘邔⑥D(zhuǎn)子軸做成兩層同心空筒，分別連接前級(jí)低壓壓氣機(jī)與渦輪，后級(jí)高壓壓氣機(jī)與另一組渦輪，兩套轉(zhuǎn)子組互相獨(dú)立，在壓力異常時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可避免喘振。

燃燒室與渦輪 空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與煤油混合燃燒，膨脹做功；緊接著流過(guò)渦輪，推動(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)闇u輪與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連在一根軸上，所以壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的。最后高溫高速燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管?chē)姵?，以反作用力提供?dòng)力。燃燒室最初形式是幾個(gè)圍繞轉(zhuǎn)子軸環(huán)狀并列的圓筒小燃燒室，每個(gè)筒都不是密封的，而是在適當(dāng)?shù)牡胤介_(kāi)有孔，所以整個(gè)燃燒室是連通的，后來(lái)發(fā)展到環(huán)形燃燒室，結(jié)構(gòu)緊湊，但是整個(gè)流體環(huán)境不如筒狀燃燒室，還有結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)的組合型燃燒室。 渦輪始終工作在極端條件下，對(duì)其材料、制造工藝有著極其苛刻的要求。目前多采用粉末冶金的空心頁(yè)片，整體鑄造，即所有頁(yè)片與頁(yè)盤(pán)一次鑄造成型。相比起早期每個(gè)頁(yè)片與頁(yè)盤(pán)都分體鑄造，再用榫接起來(lái)，省去了大量接頭的質(zhì)量。制造材料多為耐高溫合金材料，中空頁(yè)片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰(zhàn)機(jī)研制的新型發(fā)動(dòng)機(jī)將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的頁(yè)片。這些手段都是為了提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一：渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率，高功率。

噴管及加力燃燒室 噴管(nozzle，或稱噴嘴)的形狀結(jié)構(gòu)決定了最終排除的氣流的狀態(tài)，早期的低速發(fā)動(dòng)機(jī)采用單純收斂型噴管，以達(dá)到增速的目的。根據(jù)牛頓第三定律，燃?xì)鈬姵鏊俣仍酱螅w機(jī)將獲得越大的反作用力。但是這種方式增速是有限的，因?yàn)樽罱K氣流速度會(huì)達(dá)到音速，這時(shí)出現(xiàn)激波阻止氣體速度的增加。而采用收斂－擴(kuò)張噴管（也稱為拉瓦爾噴管）能獲得超音速的噴氣流。飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性來(lái)主要源于翼面提供的空氣動(dòng)力，而當(dāng)機(jī)動(dòng)性要求很高時(shí)可直接利用噴氣流的推力。在噴管口加裝燃?xì)舛婷婊蛑苯硬捎每善D(zhuǎn)噴管（也稱為推力矢量噴管，或向量推力噴嘴）是歷史上兩種方案，其中后者已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。著名的俄羅斯Su-30、Su-37戰(zhàn)機(jī)的高超機(jī)動(dòng)性就得益于留里卡設(shè)計(jì)局的AL-31推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)舛婷娴拇硎敲绹?guó)的X－31技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。 在經(jīng)過(guò)渦輪后的高溫燃?xì)庵腥匀缓胁糠治磥?lái)得及消耗的氧氣，在這樣的燃?xì)庵欣^續(xù)注入煤油仍然能夠燃燒，產(chǎn)生額外的推力。所以某些高性能戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪后增加了一個(gè)加力燃燒室(afterburner，或後燃器)，以達(dá)到在短時(shí)間里大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的目的。一般而言加力燃燒能在短時(shí)間里將最大推力提高50％，但是油耗驚人，一般僅用于起飛或應(yīng)付激烈的空中纏斗，不可能用于長(zhǎng)時(shí)間的超音速巡航。