1、涡轮喷气发动机与气球的类比

  大家知道，把气球吹胀以后放掉，在极短的时间内，就能达到很高的飞行速度。气球充气后，内部压力大于外部压力，气囊表面胀大。如果气球的口子用手捏紧，内部空气的压力对各方向的作用都相同,气球不会运动。如果把气球放在真空中,并把手松掉,显然,跑出来的空气就不再对内壁作用了,气球将离手飞出。这种情况和在大气中的情况一样,证明不是由冲出的空气推动外边的什么东西使气球运动的。而是内力的平衡被打破产生的,是内部的过程。
  在对着原来涅紧处的对面,空气的压力还是作用在气球的内壁上,这个表面上的压力是不能抵消的。这样,气球便朝喷出气流的反向运动。
  气球的这种运动是短暂的,因为内部空气压力很快下降了。为了获得较妖时间的运动,可以用打气筒对气球连续打气,保持气球内部压力,并连续向外喷气,气球就保持向前运动。
  为了把这种设想变为一个自容的喷气发动机,那么手提打气筒应该用压气机来代替,并且压气机以高速旋转,大量的空气通过这种“气球",其内部又保持很高的压力。要把能量交给压气机,在气流中需要装一个燃烧室。燃料燃烧时,使空气的温度迅速提高,气流速度也相应地大大提高了。由于压气机出来的空气压力高,妨碍了空气向前流动,燃烧过的空气只能向后方朝外喷出。
  在加热的空气通道内装置一个涡轮,燃气的一部分能量就驱动涡轮。涡轮转动了,就可以借连接轴带动压气机也高速旋转。燃气的其余能量就推动热燃气从后面喷出。完成这种转变,就构成了燃气涡轮喷气发动机了。

2、喷气发动机的推力

  关于喷气发动机产生推力的问题,还是按大家熟知的牛顿运动第三定律来解释。定律说,两个物体之间的作用力和反作用力,总是大小相等、方向相反,而且在同一直线上。
  喷气发动机是一种旨在产生高速燃气流的动力,它以大量的燃气、很高的速度,从喷口源源不断喷出,产生反作用,来推动飞机前进。
  气体流过发动机以后,它的速度被发动机内部加速了。从外观看去,巨量的空气自进气道进入,而有一股强大、极其喧嚣的气流从尾喷口喷出,它比十二级台风的速度大一、二十倍,简直是一股迅猛的风暴。这说明气体流过发动机时产生了加速度。
  我们知道,力是加速度的原因。发动机内部一定对气体施加了作用力,那么气体喷出发动机时一定对发动机有反作用力存在。这个推力产生的过程一直是在发动机的内部进行的。所以说喷气推进过程,是喷射的燃气对发动机本身直接反作用的结果。

  4.涡轮喷气发动机的一般工作情况

  涡轮喷气发动机能产生推力，在于发动机喷出的喷气速度比进口的进气速度大得多。要使没动机的喷气速度大,必须对气体进行压缩、加热,使之成为高温、高压燃气,然后图才能膨胀加速。发动机的各主要部件都是为了对气体顺利地进行压缩、加热,以及使之膨胀加速而设置的,所以我们要了解气体参数(压力、温度、速度)沿发动机流程通道的变化情况。
  气体皮力(曲线P):在发动机的进气部分(图中0-1段),如果飞行速度大于压气机进口气流速度,。空气压力逐渐升高,以后,空气在压气机中继续受压缩,压力继续得到提高。在燃烧室内(2-3段),由于流动损失等原因,燃气压力略有降低。燃气在涡轮和喷管出口内膨胀作功,压力降低。膨胀结束时,根据气体在喷管内完全膨胀或不完全膨胀,喷管出口气体压力可能等于或大于大气压力。
  气体温度(曲线T):空气由发动机的进气装置(0-1段)刻压气机的出口处,因毛压缩,温度升高,在燃烧室内,由于与燃料混合燃烧,燃气温度急剧升高,燃气在涡轮和喷管内膨胀作功,温度降低。
  气体速度(曲线V):在发动机的进气装置和压气机内(0-:段),空气的速度逐渐降低。在燃烧室内,由于燃烧时燃气温度增高,而使燃气速度增大。通过涡轮时,燃气膨胀,速度略有增加。在喷管内,燃气继续膨胀,把热能转换为动能,燃气的速度增大,并在喷管出口处达到最大值。
  可见,涡轮仅从燃气中吸收部分能量用宋带动压气机(图7.25),燃气中的剩余能量则在喷管中进行膨胀,增大喷气能量。
  在谈到发动机进、出口气流时,我们知道气流速度是相当大的。这里需要指出,涡轮喷气发动机在地面工作日才,发动机前后有特别危险区。前方的进气口象虎口似的可以吞噬任何物件,甚至发生过吞人的惨剧。发动机喷口喷射的高温燃气,同样能够致人于死地。因此,必须格外注意安全。
  由于两个危险区都延伸距离很沃,所以发动机在起动之前,一定要注意保持停机坪、滑行道和跑道的清洁,仔细检查进气道和排气装置,确保没有其它奈物。

5、涡轮喷气发动机和活塞式发动机热力循环对比

  涡轮喷气发动机之所以能连续地把热能转换为机械能,进而产生推力,是由于热力循环不断进行的结果。所以,热力循环是涡轮喷气发动机工作的基础。它的循环,和囚冲程的活塞式发动机的循环相似,都存在进气、压缩、燃烧和膨胀四个过程。但是,在涡轮喷气发动机中,燃烧是在定压下进行的,而在活塞式发动机中,燃烧则是在定容下进行的。因此,涡轮喷气发动机的理想循环,叫做“定压加热循环",又叫“奥托循环"。
  这里应该着重挂出,涡轮喷气发动机的热力过程与活塞式发动机很重要的不同地方是它连续地进行定压燃烧,并且四个过程在不同部件内同时进行。活塞式发动机却是在同一气缸内不同时进行四个过程,过程又是间歇的。在热力发动机中,每一个热力循环,作功的只是一个膨胀过程,但是为了保证膨胀的进行,必须有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程。这些过程形成一个整体、缺一不可。

轴向式压气机
   轴向式压气机由静子和转子组成。静子上的一排整流叶片组成一个整流环,各个整流环与外壳(机匣)固定在一起。转子也由好几排叶片和固定这些叶片的部件组成。转子上叶片叫做工作叶片,由一排工作叶片所组成的轮子叫做叶轮(或工作轮),这些叶轮与涡轮的工作轮相连,被涡轮带动高速旋转。
  轴向式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。一个叶轮和一个整流环组成轴向式压气机的一个级。它是多级轴向式压气机的基本单元,单级轴向式压气机的增压能力较低,因此燃气涡轮发动机的轴向式压气机都是采用多级的。
  轴向式压气机的各级都是利用扩散增压原理来提高空气压的。其办法是将工作叶片和整流叶片的叶型制成一定弯度 ,此时叶片出口的安装角 （叶片中弧线后缘切线与圆周速度的夹角）大于叶片进口安装角 (叶叶片中弧线后缘切线与圆周速度的夹角)。这样,在叶片进口处和出口间距相等的情况下,叶片通道出口面积就大子进口面积( > )。气流扩散减速后,压力也就增大。 　

离心式压气机

  离心式压气机也是由发动机的涡轮驱动,,来对空气进行压缩的。但是离心式压气机给出的是离心气流。离心压气机的单级增压比相对较高,一般为3~4.5。如果再提高增压比,就要采用超音速离心压气机了。-否则效率下降很多。
  离心压气机主要由叶轮、扩压器和集气管组成,在发动机的进口还装有导流器,使空气进入压气机前产生预旋。从压气机叶轮出来的空气进入扩压器和集气管,然后流向燃烧室。
  图7.29工作叶片通道的形状f图7.30离心式压气机的主要组成部分离心式压气机除了利用扩散增压外,还利用离心增压来提高空气的压力。压气机工作时,空气在叶轮内随同高速旋转,在转动中,空气受到惯性离心力的作用,相对速度和压力都逐渐增大,然后空气以高速离开叶轮,进入扩压器和集气管。气流在扩压器和集气管的扩散形通道中,流速降低,压力进一步提高,离心压气机的离心增压和扩压增压所消耗的功,部是来自叶轮的机械功。

3、燃烧室

  燃烧室的作用是使压气机输入的大量空气与喷咀喷出的燃油充分混合燃烧,释放出热量,使燃气,影胀加速,在涡轮所处的各种状态下提供具有一定温度场的燃气流。
  对燃烧室要求是安全燃烧、工作稳定、点火可靠,出口温度场合乎要求等。从保证稳定燃烧来说,燃油和空气混合气的浓度应能使火焰传播的速度最快,燃烧既稳定又安全。可是这样的混合气浓度,燃烧后温度太高，可以达到2000K以上,大大超过涡轮安全允许的最高温度。从保证涡轮的工作安全来说，燃烧室的出口温度必须降低。人们经过不断实践和研究,在燃烧室内采用了具体办法是在燃烧室内装一个火焰筒,焰简。
  燃烧区的位置在火焰筒的前半段,进入燃烧区的空气称为第一股空气，约占总空气量的25-35%，这部分空气与喷入燃烧室的燃料组成混合气，燃烧后的温度约为2200K。稀释区的位置在火焰筒的后半段，进入稀释区的空气称为第二段空气，约占总空气量的65-75%，第二股空气穿过火焰筒后段筒壁的气孔，进入稀释区与炽热的燃气掺合，一方面使燃气温度降到能保证涡轮安全工作的温度；另一方面，还可使尚未完全燃烧的混合气进行补充燃烧。
  燃气涡轮发动机使用的燃烧室主要有三种类型:单管燃烧室,环管燃烧室和环形燃烧室。

单管燃烧室

  每个管形火焰筒外面单独套上一个筒形的外壳。就组成一个单管燃烧室,一台发动机装有若干个这样的单管燃烧室,均匀分布在发动机机匣的周围,各单管燃烧室之间通过联焰管来传递火焰和均压。
  这种燃烧室用于萄心压气机的发动机和早期的轴向式压气机的发动机上,由于它的缺点很多,目前几乎不用。

环管燃烧室

这种燃烧室的火焰筒与单管燃烧室相似,也均匀地排列在内、外壳构成的环形空腔中,各相邻火焰简之间都用联焰管连接。

                环形燃烧室

环形燃烧室由内壳、外壳和环形的火焰筒组成。这种燃烧室空间利用率高,迎风面积小,简壁面积较小环管燃烧室小得多,减少了筒壁冷却空气量,燃烧室的压力损失小,容易获得均匀的用向温度场,不用联焰管,火焰的传播性能好。正因为环形燃烧室的优点多,所以近年来在很多新型的发动机上获得了广泛采用。
  燃气涡轮a涡轮是直接把气体的热烙转变为旋转机械能,从而带动压气机和附件工作的一种运动机械。对于涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发葫机来说,涡轮还提供轴功率,来带动螺旋桨或旋翼工作。
  涡轮在航空上之所以重要,是因为在燃气涡轮发动机上带动压气机压缩空气往往需要很大的功率,二般在一万千瓦以上,这样大的功率,活塞式发动机是无法办到的。
  涡轮的基本组成部分是导向器和工作轮,导向器装在工作轮的前面,固定不动。导向器和旋转的工作轮组成了涡轮的一个级。为了产生较大的驱动功率,涡轮要由数级组成。涡轮级数取决于单轴结构还是双轴结构、涡轮需要从燃气中所得到的能量、涡轮的转速以及涡轮所允许的直径大小等诸因素。
  为使燃气膨胀加速,导向器叶片和涡轮叶片组成的通道都做成收敛形;而且由于燃气逐渐膨胀,气体密度逐级减小,比容逐级增大,为了使流量连续、燃气顺利膨胀,必须逐级增大环形通道面积,这与压气机通道的变化规律正好相反。

5、尾喷管

尾喷管的作用是把涡轮排出的燃气以一定的速度和规定的方向喷出发动机。显然,当涡轮喷气发动机保持空气流量不变时,喷气速度比进口气流速度大得多,发动机产生的推力越大。尾喷管通常由排气段和喷口组成。排气段内装有整流锥,使横截面积顺气流方向由环形逐渐变成圆形,而构成扩散通道。以降低气流的速度,同时防止燃气流出涡轮时产生涡流损失。整流锥用流线形的支板支撑,可以把涡轮出口扭转的气流扭直方向,沿铀向流出喷口。

6、消音器

  噪声严重影响人们的生息和身心健康,降低噪声已成为人们十分关注的问题。
  噪声包括音调和声压。测量其强度的单位是分贝。在一般情况下,人们睡眠要求周围的噪声不超过35分贝,工作、学习时不超过55分贝,但是,现代涡轮喷气发动机的噪声却远远超过人的听觉器官所能承受的标准,而高达120分贝以上。
  近二十年来,随着民用航空的发展,不但飞机的数量增多,而且飞机的尺寸和飞机速度也不断增大,发动机的噪声日益严重,人们长期受噪声的剌激,不仅会产生“噪声性耳聋",还会使中枢神经系统、心血管系统、消化系统等发生功能紊乱,导致“充耳不闻",预防的办法只能从限制的声源开始。
                喷气噪声

  发动机喷管喷出的高温燃气流入静止的或流速较慢的气流中,流动气体和静止气体之间的剪切力,使射流边界层中的气体形成强烈的紊流脉动,从而产生高频噪声,随着燃气向后流动,喷气射流的掺混区逐渐扩大,噪声频率逐渐下降。在完全混合区产生低频噪声。可见,喷气噪声是由各种频率组成的所谓“白"噪声(类似于自光)。
   喷气的声功率与喷气速度的八次方成正比。所以喷气速度对声功率影响最大。如离飞机250米处,加力式涡轮喷气发动机的排气速度为720米/秒时,声强级为124-125分贝;亚音速涡轮喷气发动机排气速度为600米/秒时,声强级为118分贝;涡轮风扇发动机较低,约为360米/秒时,声强级为108分贝。

转子叶片产生的噪声

这种噪声只有当它从发动机的迸出口传播出去时,才会被人听到。如果叶尖为超音速气流,将产生一系列弱激波,发出“圆锯"噪声,高函道比的涡轮风扇发动机就是这种情况。

转子叶片和静子叶片互相干扰产生的噪声

  转子叶片产生的噪声,往往要在叶尖为超音速时才能传播出去。但是实际上航空燃气涡轮发动机在低转速时,由于转子叶片和静子叶片相互干扰也产生频率为叶片通道频率的噪声。这种噪声就象汽笛或警报器发出的单调音。在飞机着陆时涡轮喷气发动机主要是这种噪声。
  此外,发动机燃烧室中的紊流燃烧,也会产生噪声,这种噪声不大,往往被喷气噪声掩盖了。在加力燃烧室中出现振荡燃烧室,也会产生尖叫噪声。
  既然噪声主要是由高速喷气流产生的,所以减小噪声的最有效办法是降低排气速度。可采用消声喷管,即在喷口外加有波形罩,引射周围空气,增大燃气与空气的接触面积加快混合进程,降低喷气速度。采用涡轮风扇发动机,有效地降低了噪声。在发动机总推力相同的情况下,用多台发动机也是降低噪声的有效办法