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航空发动机原理,我知见

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正文开始前先来看几段话,看看您觉得关于发动机(这里指涡轮喷气式发动机,涡轮风扇发动机)产生推力的描述哪一个较为合适:
图1 安装两台遄达XWB-97发动机的A350客机
A, 发动机之所以能产生推力,是因为喷出的气体向后作用到外界的空气上,外界的空气再给它以反作用力,也就是推力,以此来推动飞机向前飞行。
B, 发动机推力是气流作用在发动机内、外表面上作用力的合力,它是作用和反作用原理在喷气发动机工作时的一种应用。
C, 根据牛顿第2,第3定律,进入发动机的和离开发动机的动量发生变化,产生推力。无论何时通过发动机的空气或者燃气动量增加,产生前线推力;无论何时空气或燃气动量减小,发推力产生。(局方推荐教材《燃气涡轮发动机》P15)
D, 实际上推力来自于发动机内的不平衡力和动量。(局方推荐教材《燃气涡轮发动机》P16)
你觉得哪一个合适?请投票。放心投,我只是想做一个简单的统计。
那么,发动机产生推力的原因到底是什么?以下内容是结合国防科工委十二五规划教材《航空发动机原理》(该书在航佳论坛有,欢迎下载),《大学物理》总结的观点。
发动机的推力是由流过发动机内外的气流对发动机各个零部件表面上的反作用力而产生的。由牛顿第二定律(作用力与反作用力)可知,发动机各部件对空气有力的作用,空气也必然对发动机有反作用力,当然这些反作用力既有阻力也有动力,二者的合力即为发动机的推力。
图2 典型的单转子涡喷发动机各部件轴向力分布
为了得到发动机的推力值,我们需要对各部分的力进行计算,但由于发动机各零部件的形状比较复杂,且数量巨大,根本无法知道各部分的力的分布,也就无法直接借用牛顿运动定律进行计算。
因此我们只能通过其他的计算方法来得到发动机的推力值。要知道计算力,除了用牛顿运动定理计算外,我们还可以借用动量定理进行计算。动力定理的便捷之处在于它可以不用考虑空气在发动机内部的受力情况,只需要研究空气进入和离开发动机的状况,以及燃气离开发动机的状况。因此目前几乎所有的书籍都是从这个角度来计算发动机的推力。
但由于计算过程中,往往有各种各样的假设以及忽略,计算值与实际值往往存在偏差。要想真正知道发动机的推力,还必须通过风洞试验。
图3 复杂的不同推力的CFM56-5B系列发动机
简单地说,发动机产生推力的原因就是上述的B选项,但是为了计算方便人们借用动量定理来进行计算,也就是C选项。不能简单地说B就是根本原因,C是表像。要真正弄清楚二者的关系,还必须从牛顿运动定律与动量定理的关系出发。二者可以相互推导,都是根据物理现象得到的广泛使用的科学规律。但二者之间存在什么关系是物理学研究的范畴,本文不做深究。但可以肯定D选项就是错误的,它将两种不同的计算思路混合起来。
图4 发动机的内外涵道气流及反推
发动机产生推力原因,到此解释完毕。下面说说我对发动机推力问题的几点思考,或许你也疑惑过。
问题一:为何常见的涡轮风扇发动机,外涵道产生的推力占绝大部分而核心机产生的推力占了很小一部分(以CFM56-5B为例,外涵道产生的推力占总推力的80%左右)?
仍以CFM56-5B为例,它属于高涵道比短外涵发动机(短外涵发动机外涵道与内涵道分别排气),总推力是外涵道与内涵道产生的推力之和。涵道比就是指流经外涵道的空气质量流量与内涵道空气的质量流量之比。涵道比越大,说明流经外涵道的空气质量流量越大。
由上文发动机机推力的计算方法,我们可以定量的对该问题进行解释。空气进入外涵道的与内涵道的初始速度一样。外涵道的空气经过风扇压缩和导向叶片调整直接排出发动机,内涵道的空气则经过压气机,燃烧室,涡轮,尾喷管排出,尽管如此,最终内涵道排除的气体的流速与外涵道相差不大。由动量定理易知,外涵道与内涵道产生的推力之比与流经二者的空气的质量流量之比正相关。这就是高涵道比发动机外涵道推力占主导地位的原因。
图5 安装两台LEAP-1C的C919大飞机
问题二:为何在高亚音速时,民航客机多选用涡轮风扇发动机而不用涡轮喷气式发动机?
我们做一个假设,把涡轮风扇发动机的外涵道去掉,这其实也就算是涡轮喷气式发动机了。然后会发生什么情况呢?由燃烧室产生的高温高压气体推动高压涡轮与低压涡轮,高压涡轮与低压涡轮经过各自的轴分别带动高压压气机与低压压气机转动。由于低压系统没有风扇,使得有更多的功转化为低压压气机的动能,低压压气机转速增大,导致吸入更多的空气,但由于核心机所消耗的空气量有限,发动机的推力不可能有太大的提高。
引入风扇,则充分的利用了低压区涡轮的功,由于外涵道截面较大,因此能够吸入更多的空气,从而产生更大的推力,同时多余的空气直接通过外涵排除,这并没有增加核心机的负担。因此在核心机相同的情况下,涡轮风扇发动机能够产生更大的推力。这也是民航客机广泛采用涡轮风扇发动机的原因。
当然这只是我个人看法,我目前还没有找到相关的参考资料。如有不对还请指正。
正文开始前先来看几段话,


来自Android客户端1楼2015-12-17 21:20回复
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    来自iPhone客户端2楼2016-10-04 12:17
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