[教材] 飞行推进力 (Propulsion) --- 新加入超音速引擎

blackbird

飞行推进力 (Propulsion)

简介



19世纪末，早期航空工程师很清楚地了解到有人操纵飞机 (manned flight) 必须研发轻量(lightweight) 但强大的引擎。1860年，幸运地第一架实践的内燃机(internal-combustion engine)为成功铺上了一条康庄大道。可是不管汽油引擎（gasoline engine）发展地多快，Langley和Wright 兄弟都不停的设计他们的引擎务求达到更高的马力对重量的比值(horsepower-weight ratio). 至到第二次世界大战，往复式内燃螺旋桨引擎（internal combustion reciprocating engines）才真正的发扬。
在1903年到1945年，引擎的马力已从 12hp 升到 2200hp. 过后，推进力革命正式开始。

1930年， Frank Whittle 在英国申请喷射推进器（jet propeller）的专利权。1939年，德国 Heinkel He 178 飞机成功以 Hans Von Ohain 博士设计的涡轮喷气飞机引擎(turbojet engine) 试飞。另外一架喷气机 Me 262 (German) 也出现在第二次世界大战。突然地，喷气发动机 （jet engine）支配了飞机的推动力市场而其速度也达到了音速了（1950年）并在1960及1970年超越了音速。

[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 05:12 PM 编辑 ]

blackbird

但是，这帖只谈供氧引擎(Air-Breathing engine)而已。以名而论，供氧引擎就是需要用大气层的空气来推动引擎。主要供氧引擎(Air-Breathing engine)分为两大种类：I. 活塞发动机（piston engine）II. 燃气涡轮（gas turbine）。

而燃气涡轮（gas turbine）分为：1. 涡轮喷气（turbojet）2. 扇涡轮(turbofan) 3. 涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft)  4. 冲压式喷气(ramjet)

[ 本帖最后由 blackbird 于 6-5-2006 07:40 PM 编辑 ]

blackbird

I.活塞发动机（piston engine）


*活塞发动机（piston engine）是与螺旋桨(propeller)结合的发动机来产生推动力
在飞行的40年初期。

*个别单位能产生推动力达至 2MW。现在，已限制用于轻型的低速飞机而且能产生推动力达至 4MW。

*主要的缺点是低动力对重量比（power/weight）及功率输出（power output）不是和前进速度(forward speed)正比(不像燃气涡轮,gas turbine)。

*一般上，活塞发动机是用空气冷却的。这是针对噪声考量而设计但却很重。

*一般上，活塞发动机是用汽油(gasoline) 偶而用柴油（diesel）.

[ 本帖最后由 blackbird 于 5-9-2006 11:09 PM 编辑 ]

blackbird

II.燃气涡轮（gas turbine）



*燃气涡轮发动机(gas turbine)很广泛的用于在现代飞机除了轻型的飞机用活塞发动机（piston engine）。

*主要特色是
---空气压缩机air compressor
---燃料喷射器fuel injector
---燃烧室combustion chamber
---涡轮机turbine

*动力量通过机械地涡轮机的传动轴(driving shaft) 来提取及增加喷嘴(nozzle)的排气量.

*轴向的压缩机比离心的压缩机能得到更高的压力比（至40倍）。

*煤油（kerosene）是一般的燃料

*燃气涡轮发动机的种类：1. 涡轮喷气（turbojet）2. 迂回流量比发动机（low bypass ration engine）3. 扇涡轮(turbofan) 4. 涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft)

[ 本帖最后由 blackbird 于 5-9-2006 11:24 PM 编辑 ]

blackbird

1.涡轮喷气（turbojet）




*五大结构的组成部分
a. 入口(intake)
   大量地吸取空气然后有效地转交去压缩机。

b. 压缩机(compressor)
  提升空压及温度。

c. 燃烧室(combustor)
  参进煤油（kerosene）和空气然后燃烧混合物以提升空压及能量。

d. 涡轮(turbine)
从气体提取能量以轴来推动压缩机。

e. 喷嘴(nozzle)
促进气体排出量。

*简单的涡轮喷气发动机是采用单轴来横接涡轮和压缩机。

*高效率的涡轮喷气发动机采用多个阶段的涡轮，压缩机和轴装配但沉重，昂贵及复杂。





[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 03:11 PM 编辑 ]

blackbird

2.扇涡轮(turbofan)


CFM56-5B



*扇涡轮发动机的性能是处于涡轮喷气（turbojet）和涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft)之间。

*它拥有额外的空气管(duct air)以增加空气量来提升空气压。

*两团气流将流进发动机；其中一团气流进发动机核心而另一团气流迂回空气管(duct air)。

*基本上，它的样运用系统和涡轮喷气发动机（turbojet）相似但涡轮(turbine)部分离成高压和低压涡轮。低压涡轮将通过多样排列的轴来推动隔离的风扇（在压缩机前面）；高压涡轮将会推动压缩机。所以，它的结构比涡轮喷气发动机更复杂。

*迂回效果将会提升质量流量比并减低喷射速度(jet velocity)以产生大量的推动力(thrust),还有改进推进效率(propulsive efficiency)和减低噪音。

*整体压力比高达35倍，高压涡轮的入口的温度更达至1400oC





*真实的扇涡轮发动机也是迂回流量比发动机而它的压缩机直径也增加成有导流罩的风机(ducted fan).

*扇涡轮发动机的主要推动力是风机产生的而气体产生器(gas generator)却提供气体来推动压缩机。p/s: 气体产生器(gas generator)是涡轮，压缩机等的组合。

[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 02:56 PM 编辑 ]

blackbird

3.涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft)


A400M

*涡轮螺旋桨发动机的涡轮(turbine)部也分离成高压和低压涡轮。高压涡轮将推动压缩机；低压涡轮将通过轴来推动螺旋桨。

*低速废气也能产生残留的推动力(residual thrust).

*涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨以1000rpm-2000rpm旋转而且低压涡轮也以1000rpm旋转所以减速齿轮(reduction gear)必须装备。

*如和扇涡轮发动机比较，它的燃料（消耗）系数(fuel efficient)比较高在低速飞行。它的速度限制是 Mach 0.7。

*另一方面，和活塞发动机（piston engine）相比之下，它的动力对重量比（power/weight）高及功率输出（power output）和前进速度(forward speed)成正比。





[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 02:59 PM 编辑 ]

blackbird

4. 冲压式喷气(ramjet)



*冲压式喷气发动机才用于超音速飞行器。

*它的特色是只有三个主要部分：入口（intake/diffuser）, 燃烧室（burner/ combustion chamber）和喷嘴(nozzle).

*空气减速至入口但空压大量提升因冲压效应(ram effect).所以，它不需要压缩机或涡轮装备又减轻设计及成本。

*可是，它的致命伤是要达至 Mach = 2.0 才能产生推动力。

*它的超音速入口设计（supersonic inlet）需要很复杂的设计避免冲击损失(shock loss)

[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 02:28 PM 编辑 ]

blackbird

5.超音速引擎(Supersonic Engine)




RR/Snecma Olympus引擎 ----  Concorde。

*很多超音速引擎设计难度都是完全不同设计条件。

*一般上的引擎拥有不定形(variable )的入口(inlet)及管口(nozzle)的设计或图形除了F-16’s P&W F100-229 是固定性入口图形(Fixed Geometry Inlet)。

[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 05:06 PM 编辑 ]

blackbird

*一般上，超音速引擎是由喷气发动机（turbojet engine）装配成的。
*为何不用一般 涡轮风扇喷气引擎（turbofan engine） 呢？须知，涡轮风扇喷气引擎主要的推动力是从duct fan 的 第二气流（secondary air flow）或称 cool air 产生的。这类引擎在低于音速就没问题但是在超音速就太来很大很大的阻力了因为它的 外壳（fan duct）。
*因此，喷气发动机（turbojet engine）就扮演了重要角色通过不定形(variable )的入口(inlet)及管口(nozzle)的设计在加上 Afterburner 来加大它的推动力来冲破 音障( sound barrier)。

[ 本帖最后由 blackbird 于 10-9-2006 05:08 PM 编辑 ]

blackbird

提示:

[ 本帖最后由 blackbird 于 17-9-2006 10:45 AM 编辑 ]

blackbird

没有人有兴趣吗？
不妨我们讨论看飞机engine的将来吧？ 据说现在好像在研究着 turboprop的 performance。
其实 引擎的改革是宇航业的改革，早在1930年时大家都认为不可能超过音速可是当 Jet engine发明过后飞机的发展简直大幅提升。

DeathWing

一般上， supersonic 战机不是都用 low bypass turbofan 吗？

blackbird

原帖由 DeathWing 于 24-9-2006 06:33 PM 发表
一般上， supersonic 战机不是都用 low bypass turbofan 吗？

你是本楼第一个客人，感动。。。

turbofan 的 duct 在 aerodynamic 方面影响很大所以才用 variable inlet jet engine。
嘿嘿，现在的超音速客机是 blended wing aircraft 时代了。。。

可是，我所知道的是turboprop 开始研发以对抗 turbofan 了。

Raptor2468

这方面我只略懂皮毛，blackbird不要怪我一直潜水

不过，最近我看到这个，F-35的F135，厂商Pratt & Whitney 称是目前全世界最强劲的战机引擎，能产生40000磅的推力。

http://www.pratt-whitney.com/pr_092006.asp

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 24-9-2006 09:34 PM 编辑 ]

blackbird

原帖由 Raptor2468 于 24-9-2006 09:32 PM 发表
这方面我只略懂皮毛，blackbird不要怪我一直潜水

不过，最近我看到这个，F-35的F135，厂商Pratt & Whitney 称是目前全世界最强劲的战机引擎，能产生40000磅的推力。

http://www.pratt-whitney.com/pr ...

:@ 你还敢讲。。。。

算吧！你不是第一个了，因为我的学弟甚至我的室友都在潜水不回帖。。。

对了！迟下我可能应一位网友看个做 water rocket 的帖。

迟点我有时间我会发表下关于宇航的过去，现在及将来但是不是讲历史。你应有兴趣的因为它的趋向和战争及引擎有关。我们再慢慢讨论。

fooyee

看過了,
但是太深了,
不知道要回什麼

blackbird

原帖由 fooyee 于 18-10-2006 02:17 AM 发表
看過了,
但是太深了,
不知道要回什麼

呵呵！你也蛮行的！酱早了都还没睡！（02:17 AM 发表）。
我现在睡觉了（3.00am）。。

很深？哪里不明白？讲讲看？如果我述说的太深也是一大败笔！！！

你是学生还是做工了？或者是一人之下，万人之上？酱迟了都还没睡？

Jynx83

还好你还有放一些英文词汇， 不然我真地看到一头雾水。。。我的华语不是那么好的。。。

我还记得学院上一次又请一位博士回来讲解未来的 jet engine。 他们正在研究着如何和有效省油 + 提升推动力。。。还看了一个 video， 忘了怎么解释。 有人大约知道吗？ 好像是用爆炸力量的。。。

Raptor2468

Blackbird，我支持你这个贴！
只是在我对有更深一层了解前，可能不能加入大家的讨论，继续潜水！
况且我的考试要到了，接下来这几个星期会很忙！
其实，这个贴也不是完全没有人有兴趣啦，你去看回复:查看的比例接近1:13就知道了，至少很多人有兴趣进来看一下，没有看到标题就懒得进来，因此也不是那么不受欢迎啦！
继续加油！

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 18-10-2006 09:53 AM 编辑 ]