燃气涡轮发动机简介

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：航空燃气涡轮发动机通过带动螺旋桨或旋翼旋转获得推进力，或燃烧气体通过喷口高速喷出时的反作用力获得推力。图12-1 航空器的作用力大型航空器配备有涡轮喷气发动机。在高速状态下喷气式的效率较高，因此大型高速航空器配备使用涡轮喷气发动机或涡扇发动机。表12-1 喷气式与螺旋桨式的比较3.燃气涡轮发动机的特性燃气涡轮发动机为连续燃烧，因此在相同的输出功率下，比间歇燃烧的往复式发动机其重量轻，并且机动性较好。

航空燃气涡轮发动机通过带动螺旋桨或旋翼旋转获得推进力，或燃烧气体通过喷口高速喷出时的反作用力获得推力。推进原理依赖于牛顿的运动定律。

1.牛顿运动定律

推进原理可以利用牛顿运动第二定律和第三定律进行说明。牛顿在物体运动中主要以加速度和作用力为核心。

牛顿的运动第二定律是：物体的加速度的大小与物体所受的合外力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同可以表示为

F=ma （12.1）式中，如果已知质量m的物体加速度a，可以求出物体受到的作用力F，如果已知作用力，则可以求出加速度。

牛顿的运动第三定律是：所有物体之间始终存在大小相等和方向相反的反作用力。两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。地球的体积比太阳小109倍，质量小约100万倍。即便如此，太阳对地球的吸引力F_Se与地球对太阳的吸引力F_Sa大小相等，方向相反。

F_Se=-F_Sa （12.2）

另外，质量m_a的宇宙人对卫星施加F_a的作用力，相对地卫星对宇宙人施加大小相等和方向相反的作用力F_S。宇宙人和卫星相互作用者相同的大小相等力量。

m_Sa_S=m_aa_a

但是，加速度的大小就不同。

加速度与质量成反比。如果通信卫星的质量m_S比宇宙人的质量m_a大10倍，当作用力相等时，宇宙人的加速度会大10倍。

此事实以动量M表示为

M=mV

动量变化率式为

如果作用力作用时间为Δt，动量变化式为

ΔM=FΔt

宇宙人施加的作用力F_a会导致卫星动量的变化，卫星动量的变化式为

ΔM=F_SΔt

根据作用力-反作用力定律，卫星会对宇宙人施加方向相反且大小相等的反作用力F_S。宇宙人在此力的作用下，其动量发生变化，变化量与卫星的动量变化相反，即

ΔM_a=F_aΔt

F_S=-F_a或ΔM_S=-ΔM_a （12.4）

式中，宇宙人和卫星的动量变化量和为0。这表示推动卫星后，总动量M_t不发生变化并保存的事实，即

M_t=M_S+M_a （12.5）

这称为动量守恒定律。

2.推进原理

推力表示推动物体的力。为了推动物体需要作用力。航空器的作用力如图12-1所示，有推力、阻力、升力和重力四种力量。

航空器为了能飞行，推力（F）必须大于阻力（D），升力（L）必须大于重力（W）。即推力大于阻力时航空器可以移动，升力大于重力时航空器可以升天，相反如果升力小于重力，航空器会下降。

图12-1 航空器的作用力

大型航空器配备有涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机吸入空气与燃料混合燃烧，高温、高压燃烧气体高速从喷口喷出，此时燃烧气体对发动机的反作用力就是推力。涡轮喷气发动机航空器飞行时推力F的大小，在空气（或燃烧气体）侧利用牛顿第二定律，根据式（12.3）可以推导出

从式（12.6）可以看出，推力F为质量流量率和进口与出口速度增加率ΔV（=V₂-V₁）之间的乘积，并与这些值的大小成正比。

通过螺旋桨的推进原理也与此相同，通过动量变化的反作用力产生向前作用力。即航空器向前飞行的力量通过螺旋桨的旋转力获得。螺旋桨式飞机发动机的作用，仅为产生驱动螺旋桨旋转的轴动力，并不是燃烧气体从喷口喷出产生推力。

螺旋桨式和喷气式飞机最大的差异之一在于推动流体的质量流量率和流体喷气速度。这些值的比较见表12-1。为了获得相同的推力，螺旋桨式的质量流量率为喷气式的6.7倍，与此相反流体喷气速度为1/6.7倍。这表示螺旋桨的端面积远远大于喷气式喷口的端面积。对于流体的动能变化，喷气式为螺旋桨式的6.7倍。这表示对相同推力的发动机来说，喷气式比螺旋桨式多消耗6.7倍的能量。这虽然仅是通过简单的计算得出的，但还是能看出螺旋桨式的效率远远大于喷气式的效率。通常，螺旋桨式因在高速状态下螺旋桨会发生失速，不能产生有效的推力，因此仅在低速状态下具有良好的效率。在高速状态下喷气式的效率较高，因此大型高速航空器配备使用涡轮喷气发动机或涡扇发动机。

表12-1 喷气式与螺旋桨式的比较

3.燃气涡轮发动机的特性

燃气涡轮发动机为连续燃烧，因此在相同的输出功率下，比间歇燃烧的往复式发动机其重量轻，并且机动性较好。因此除了部分小型航空器外，几乎所有的航空器均使用此类发动机，此外军用船舶、坦克、应急发电机等也使用此类发动机。另外，20世纪50年代开始使用在铁路用燃气涡轮发动机火车上，还使用在微型燃气涡轮发动机、辅助动力装置上。辅助动力装置（APU）是为大型机械提供辅助动力的小型燃气涡轮机。这些有为飞机室内换气和通风的空气供给用装置和大型喷气发动机起动装置等。

燃气涡轮发动机的特性如下：

①不同于往复式发动机的间歇燃烧，进行连续燃烧，因此振动小，寿命长，尺寸小，重量轻，输出功率大。

②用燃烧气体直接转动涡轮，仅由旋转运动部分构成，因此构造简单，不需要冷却液，润滑油使用量也少，可以实现无人驾驶，并且运行、检查、维修容易。

③可以自由配置压缩器和涡轮，因此可以构成符合负荷特性的最佳燃气涡轮机，输出动力可以达到移动型为数千千瓦，发电用为每个数十万千瓦。

④燃气涡轮机因高速旋转，起步时会输出很大的转矩，因此需要减速装置，汽车上使用压缩器驱动用涡轮和车辆驱动用涡轮分别由不同轴构成的2轴燃气涡轮机。

⑤燃气涡轮机的热效率随压缩器进口的空气温度越低，或最高温度比值越大越好。但是燃烧气体的温度会受到涡轮叶片材料使用温度界限的限制，因此比柴油机或蒸汽涡轮发动机的温度略微低，并且不能使用重油等低质燃料，经济性不良，因此在工业上使用时不用在一般情况，多使用为应急用发动机。

燃气涡轮发动机简介

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