噴氣發動機之原理
噴氣引擎之所以能夠產生推力,可由牛頓第三運動定律給予說明。此定律指出:在任何運動中存在作用力及反作用力,此兩力大小相同、方向相反。
換句話說,當物體受到某力作用時,則物體將產生與此力大小相同、方向相反的反作用力。對噴氣發動機而言,物體指的是受到加速的氣流,而加速氣流所需要的力在加速氣流的設備上產生反作用力,這就是使飛機向前飛行的推力。
實際上,噴氣發動機與螺旋槳發動機在這一方面的原理是相似的,不同的是氣流加速的程度及加速氣流的容量而已。前者是將小量的氣流進行大幅度的加速而後者則相反,僅將大量的氣流作小範圍的加速。
噴氣的反作用力是一種內力,其大小與施於周圍大氣的壓力無關,而和噴射的氣流容量和噴射速度成正比(P=MV)。換句話說:噴射大容量低速氣流與噴射小容量高速氣流者,所產生之推力相同。
渦輪噴氣引擎,在飛機工業方面得到廣泛的應用,它的特點是發動機內部裝有燃氣渦輪(Gas turbine)以及由渦輪驅動的壓縮葉片(Compressor)。空氣在燃燒室內與燃油混合、燃燒,膨脹的氣體以高的速度噴出機外,形成推力;一部份的膨脹氣體則驅動渦輪旋轉並傳動壓縮器。
結構型式
壓縮器的作用是增加進入發動機內空氣的壓力及溫度,有利於燃燒過程。渦輪發動機按其結構型式的不同又可分為離心式、軸流式、雙軸式、三軸式等等。
渦輪噴氣式引擎的工作循環與普通活塞式發動機的四個衝程相似,區別在於前者的燃燒過程是在定壓下進行,而後者則為定容燃燒。兩種不同類別的發動機均包括下列過程:吸氣、壓縮、燃燒(膨脹)及排氣。
對於活塞式發動機,以上四個過程是間斷進行,並以活塞的位移作為幾個過程的標誌。噴氣發動機的四個過程則連續進行,並在不同的機構裡分別完成。噴氣發動機的特點,即連續的工作過程以及不含有往復運動的機構,可使噴氣發動機工作平穩,有效功率較大。
三種基本工作狀況
在發動機的工作循環中,存在如下三種基本狀況:
1. 壓縮循環:對氣體做功,氣體的壓力和溫度會升高,而容積則減少。
2. 燃燒循環:當燃料噴到氣體中並燃燒時,氣體的溫度和容積均將增加,但由於是一個定壓過程,壓力的變化不大。
3. 膨脹循環:當傳動壓縮器在通過渦輪時,氣體要損失部分功能,它會使氣體的溫度和壓力降低,但容積增加。
軸流式壓縮器由一組或幾組轉子組成,轉子圓周裝有截面的葉片,其轉軸支承於壓縮器殼體的軸承內。殼體內腔還裝有許多定子葉片。
壓縮器為多級結構,每一均由專子及定子組成。在某些機型上,還裝有固定導片,這些導片安裝在壓縮器進口處,其作用是使進入的空氣按某一定方向流入第一級轉片的角度可以自動進行控制,以滿足不同飛行條件下對氣流的要求。
從壓縮器的前端至後端,也就是從壓縮器的低壓端至高壓端,轉軸與定子間的環形間隙是逐漸減小的,這樣,在空氣密度沿壓縮哈軸線不斷增加的悄況下,仍能保持氣流的速度。
環形間隙的逐漸減小是由殼體或定子的徑向尺寸的變化(呈錐形)實現的。有的型採用同時改變殼體和定子尺的方法做到,這取決於加工及其他設計因素。
軸流式壓縮機基本原理是和離心式相同,都是由轉葉將動能傳給空氣,然後將這動能轉換成壓力的增加。氣流先沿轉軸方向正對發動機進氣口,進入壓縮機進口導葉,轉過某一角度,以適當攻角,打擊於第一排轉葉上。轉葉增加空氣的動能,並略微增高其壓力。然後以適當角度,將空氣排放到第一排葉上。
氣流經擴散升壓作用再經引導,以至第二轉葉。如此繼續不已。一排轉葉,再加一排靜葉,組成軸流式壓縮機的一級。每排轉葉相當於離心式壓縮機的葉輪,靜葉相當於其擴散升壓匣。整個軸流式壓縮機是由多級組成。
氣流在有限寬度轉葉和葉內的轉折角度因運作效率而不能太大,動能和壓力的增加不多,每級壓縮比不大。整個壓縮機壓縮比等於各壓縮比的連乘積,級數較多可得較大壓縮比。
前面已略提到,由於燃燒是在定壓下進行,因此噴氣發動機就可以避免活塞發動機所固有的缺點--峰壓,從而使這種發動機的燃燒室可採用組合結構,並用輕量材料製成;此外,對於燃料的抗爆性要求也較低。
但是,由於溫度很高,噴氣機的燃燒室及渦輪須要使用特殊的耐溫金屬製造。