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飛機發動機的原理是怎樣的?

飛機發動機有很多種形式, 最早的是活塞螺旋槳飛機, 其發動機和汽車的發動機沒什麼區別, 也有直4、直6、V6、V8、V12等形式, 通過輸出軸連接螺旋槳。

後來出現了星形發動機, 也是活塞螺旋槳發動機的一種, 其特點是發動機呈星形中心對稱排列, 發動機工作的時候振動小, 而且比直列和V型的散熱要好(直列發動機和V型發動機只有最前面的氣缸散熱最好, 後面的氣缸被前面的擋住了, 所以必須要用複雜的水冷散熱系統, 散熱系統損壞就要立即迫降, 不然發動機一會兒就過熱損壞了, 星形發動機所有氣缸散熱條件都很好, 可以用簡單的風冷冷卻, 特別適合飛機使用)。

如果要飛機飛得更快, 除了飛機機身、翼型的設計上要改變之外, 發動機輸出功率也要加大。 對於活塞發動機, 增大功率要麼增加發動機缸數, 要麼增加發動機轉速。 但是發動機缸數增加會增加機頭重量, 影響重心分佈, 增加發動機轉速, 活塞往復運動極限較低, 所以對於高速發動機, 活塞發動機有很多先天不足。

後來發明了噴氣發動機, 1928年奧匈帝國的Albert Fonó在德國註冊了衝壓發動機的專利並在1932年獲得通過。 衝壓發動機的原理非常簡單:飛行時迎面氣流在通過涵道的過程中將動能轉變為壓力能,

經壓縮後的空氣進入燃燒室與燃料混合進行等壓燃燒, 生成的高溫燃氣在噴管中膨脹加速後排出, 產生推力。 衝壓發動機結構簡單, 非常適合高速飛行, 但是衝壓發動機的問題是不能從初速為0的狀態啟動, 因為空氣沒辦法壓縮, 所以必須要有別的方式先讓飛機向前動起來才行。 如SR71就是低速用渦噴, 高速用衝壓。

同樣1928年, 英國克倫威爾皇家空軍學院的弗蘭克·惠特爾提出了新的噴氣發動機設計, 在1932年獲得了專利, 就是後來的渦輪噴氣發動機, 其原理是發動機啟動(可以使用電啟動)後, 前面的壓氣機將空氣壓縮, 然後進入燃燒室點火燃燒, 後面跟著的是渦輪, 渦輪受燃燒室氣體膨脹推動的作用高速旋轉, 為前面的壓氣機提供動力。 如米格17、F4等飛機。

渦噴的高速性能不錯, 但是比較費油, 不太經濟, 特別是在亞音速飛行的時候。 於是後來在渦噴的基礎上在前面加了一個涵道(外涵道), 用大面積的風扇作為前級, 變成渦輪風扇發動機, 這樣就能提供很好的低速飛行經濟性。 如常見的波音、空客、C919等客機。

如果把渦噴的發動機輸出軸通過減速器連到螺旋槳上,就成了渦輪螺旋槳發動機,低速巡航更加省油。如美國的C130等飛機。

如果不設減速器,直接把螺旋槳接在渦噴輸出軸上,就變成了槳扇發動機,槳扇發動機相當於一個外涵道無限大的渦扇發動機,速度和性能類似渦扇發動機,經濟性接近渦槳發動機,但是對高速螺旋槳的加工要求特別高,目前實用的飛機非常少。

其實最早的飛機發動機是用汽車發動機改裝的,比如剛開始的螺旋槳飛機,以前德國汽車廠就是為軍隊提供戰鬥機發動機的,它的初始原理來自於汽車發動機,後來發展到渦扇發動機時應對發動機的推了要求提高,所以對發動機的燃燒內缸結構及材料的耐高溫和原件加工精度都提出了更高的要求,等到渦噴發動機時對發動機的推了和材料耐高溫更上了一個臺階,就脫離了汽車發動機的結構原理和指標。但是工作原理還是有相同之處,但是結構原理已經發生了翻天覆地的變化。

如果把渦噴的發動機輸出軸通過減速器連到螺旋槳上,就成了渦輪螺旋槳發動機,低速巡航更加省油。如美國的C130等飛機。

如果不設減速器,直接把螺旋槳接在渦噴輸出軸上,就變成了槳扇發動機,槳扇發動機相當於一個外涵道無限大的渦扇發動機,速度和性能類似渦扇發動機,經濟性接近渦槳發動機,但是對高速螺旋槳的加工要求特別高,目前實用的飛機非常少。

其實最早的飛機發動機是用汽車發動機改裝的,比如剛開始的螺旋槳飛機,以前德國汽車廠就是為軍隊提供戰鬥機發動機的,它的初始原理來自於汽車發動機,後來發展到渦扇發動機時應對發動機的推了要求提高,所以對發動機的燃燒內缸結構及材料的耐高溫和原件加工精度都提出了更高的要求,等到渦噴發動機時對發動機的推了和材料耐高溫更上了一個臺階,就脫離了汽車發動機的結構原理和指標。但是工作原理還是有相同之處,但是結構原理已經發生了翻天覆地的變化。

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