鄭光華

藍(lán)色透明的天空中，傳來(lái)一陣隆隆的機(jī)聲，人們用手掌遮住炫眼的陽(yáng)光，在稀少的幾片白云間尋找著飛機(jī)。但是，什么也找不見(jiàn)，到底飛機(jī)在那里呢？忽然，一個(gè)青年指著老遠(yuǎn)的天邊，那兒是其他人所不注意的地方，一個(gè)銀白色的小點(diǎn)，越來(lái)越小，一會(huì)兒，這小點(diǎn)也看不見(jiàn)了。這就是超音速飛機(jī)，它飛得那么快，以致于當(dāng)人們聽(tīng)到它的聲音時(shí)，飛機(jī)早已飛得老遠(yuǎn)了。

裝在這種超音速飛機(jī)上的動(dòng)力裝置，目前大部分是渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)(某些少數(shù)超音速飛機(jī)上，采用沖壓直流式發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭發(fā)動(dòng)機(jī))。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在最近十五年，才開(kāi)始應(yīng)用到飛機(jī)上的，它使這人造鳥(niǎo)的飛行速度及高度大大地增加，目前已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳的飛機(jī)。那么，究竟渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是怎樣的？為什么它會(huì)使飛機(jī)以這么大的速度飛行呢？

渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組成部分有進(jìn)氣道，壓氣機(jī)，燃燒室，渦輪，尾噴管及附件(圖1)。現(xiàn)在將各部件工作原理簡(jiǎn)略地說(shuō)明如下：

圖1渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖

1.進(jìn)氣道

進(jìn)氣道位于發(fā)動(dòng)機(jī)前方，它的作用是引導(dǎo)空氣進(jìn)入壓氣機(jī)。飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)迎面吹來(lái)的氣流先進(jìn)入進(jìn)氣道，氣流速度逐漸降低，壓力逐漸上升，因此，進(jìn)氣道一般也稱為擴(kuò)壓器。

為亞音速飛行以及跨音速飛行(飛行馬氏數(shù)小于1.5)用的發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣道的構(gòu)造形式比較簡(jiǎn)單，一般就是一個(gè)大圓筒，圓筒中間裝有整流錐體，圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口即為普通的簡(jiǎn)單進(jìn)氣道。

當(dāng)超音速飛機(jī)飛行馬氏數(shù)大于1.5時(shí)，就不適于采用簡(jiǎn)單進(jìn)氣道，因?yàn)?，馬氏數(shù)大于1.5時(shí)，在進(jìn)氣道前方氣流將產(chǎn)生一道強(qiáng)烈的正沖波(又名激波)(圖2)，它會(huì)使氣流的能量損失增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性惡化，以及飛機(jī)的阻力提高。

圖2超音速飛行時(shí)簡(jiǎn)單進(jìn)氣道前方之正沖波形狀

因此，為了消除上述缺點(diǎn)，在飛行馬氏數(shù)大于1.5以上的超音速飛機(jī)上，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，形式也比較多，圖3所示的是一種帶有中心錐體的進(jìn)氣道，當(dāng)飛機(jī)超音速飛行時(shí)，前方氣流流經(jīng)錐體將產(chǎn)生一系列斜沖波及一道正沖波，然后以亞音速流向壓氣機(jī)。這種進(jìn)氣道可以保證在超音速飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍有較好的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)飛機(jī)的高度和速度變化范圍很大時(shí)，中心錐體的位置還需要調(diào)節(jié)，以保證在不同飛行狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能仍舊很好。

圖3超音速進(jìn)氣口

2.壓氣機(jī)

壓氣機(jī)位于進(jìn)氣道之后燃燒室之前，為了保證渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在靜止情況下正常工作以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，空氣流入燃燒室燃燒以前必需經(jīng)過(guò)增壓。

通常用在渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)有二種型式，即離心式與軸流式。

離心式壓氣機(jī)由于效率低，重量重及尺寸大，在渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)很少采用，軸流式壓氣機(jī)則具有很多的優(yōu)點(diǎn)，所以目前得到廣泛的應(yīng)用。

軸流式壓氣機(jī)由很多級(jí)組成(如圖4)，每一級(jí)包括工作葉片與導(dǎo)向葉片，導(dǎo)向葉片固定于機(jī)匣上不動(dòng)，工作葉片裝于轉(zhuǎn)子上，它以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)以上之高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，氣流流經(jīng)工作葉片時(shí)，壓力及流速都增加，然后進(jìn)入導(dǎo)向葉片，流速逐漸下降而使壓力再進(jìn)一步升高。當(dāng)一級(jí)增壓后，再進(jìn)入第二級(jí)增壓，經(jīng)過(guò)多級(jí)增壓后，氣流的壓力就大大地提高了。

圖4軸流式壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子及靜子

1.導(dǎo)流片(靜子)2.葉輪(轉(zhuǎn)子)3.外殼4.壓氣機(jī)軸

各種不同型式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)并不一定相同，它是隨著需要的增壓比而定。一般當(dāng)增壓比為6，7時(shí)，壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)大約需要8級(jí)或9級(jí)。

增壓比大并且級(jí)數(shù)較多的軸流式壓氣機(jī)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的飛行狀況下仍能保持有良好的性能，通常在壓氣機(jī)上還裝有放氣活門及可調(diào)整角度的導(dǎo)向葉片。

3.燃燒室

經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)增壓后的空氣，進(jìn)入燃燒室與燃料混合并進(jìn)行燃燒，這叫做加熱過(guò)程。燃料在燃燒后放出大量熱能，這就是飛機(jī)飛行的能量來(lái)源。

燃燒室通常有單管式，環(huán)形式，聯(lián)管式等幾種不同的型式。盡管它們的構(gòu)造有所差別，但是工作原理是相同的，這里以聯(lián)管式燃燒室為例試說(shuō)明其工作原理。

聯(lián)管式燃燒室主要由外套，內(nèi)套及幾個(gè)火焰筒所組成，火焰筒安放在外套與內(nèi)套之間的環(huán)形空腔中(圖5)，每一個(gè)火焰筒中均裝有噴嘴。

圖5聯(lián)管式燃燒室

1.火焰筒2.噴嘴3.渦流器4.外套5.內(nèi)套6.進(jìn)氣孔

氣流進(jìn)入燃燒室后分為二股流路，大約30%的氣流流入火焰筒，與噴嘴噴出的燃料相混合并燃燒，在燃燒區(qū)域中，火焰的最高溫度達(dá)2000℃。另外大約70%的氣流由火焰筒外表面流過(guò)作冷卻用。這股氣流冷卻了火焰筒壁之后，經(jīng)過(guò)筒壁上的許多氣孔流入火焰筒中，與高溫燃?xì)庀嗷旌?，滲合后的燃?xì)鉁囟却蠹s下降至800°至900℃再進(jìn)入渦輪。這樣，渦輪才不致被高溫燃?xì)饬鳠龎摹?/p>

目前，渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)所用的燃料主要是煤油，但是，新的更高熱值的燃料亦在研究與試驗(yàn)中。

4.渦輪

在渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪產(chǎn)生的功率只是為了帶動(dòng)壓氣機(jī)及附件(在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪還要帶動(dòng)螺旋槳)。根據(jù)壓氣機(jī)所需功率之大小，渦輪通常分為單級(jí)，雙級(jí)或三級(jí)三種。

每一級(jí)渦輪裝有導(dǎo)向葉片及工作葉片，導(dǎo)向葉片在機(jī)匣上固定不動(dòng)，工作葉片裝于轉(zhuǎn)子上可與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)(圖6)

圖6渦輪轉(zhuǎn)子及工作葉片

從燃燒室出來(lái)的高溫氣流，流入導(dǎo)向葉片，它使氣流偏轉(zhuǎn)一方向，同時(shí)流速增大，此高速氣流再?zèng)_向工作葉片，由于氣流在工作葉片中繼續(xù)得到膨脹，同時(shí)氣流方向又偏轉(zhuǎn)一次，因此，氣流作用于工作葉片上，以很大的氣動(dòng)力，推著工作葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，于是渦輪轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

渦輪出口的氣流溫度已經(jīng)比渦輪進(jìn)口的溫度降低了不少，溫度的降低，表示氣流中一部分熱能已經(jīng)在渦輪中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功了。

為了提高渦輪前溫度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及提高高溫零件的壽命，某些發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪中主要高溫零件進(jìn)行冷卻，例如，引導(dǎo)冷卻空氣進(jìn)入導(dǎo)向葉片中間或工作葉片中間，將葉片上的熱量帶走，這樣，可以使葉片溫度不致太高，因此也就不易損壞。但是，這種冷卻葉片在構(gòu)造上帶來(lái)一系列困難，目前尚未大量采用。

5.尾噴管

尾噴管位于發(fā)動(dòng)機(jī)的末端，它是渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中很重要的部件。從渦輪流出的燃?xì)?，在尾噴管中繼續(xù)膨脹，并以高速噴射入外界大氣，使飛機(jī)得到推力向前飛行。

尾噴管分為二個(gè)部分，前段為整流段，其中裝有整流錐體(圖1)，使氣流在整流段得到整流。后段為噴口，氣流流經(jīng)噴口時(shí)，由于噴口斷面積的變化(一般是使面積逐漸縮小)，氣流逐漸加速，最后，以極高的流速噴射入大氣。

高速氣流自發(fā)動(dòng)機(jī)尾端噴射入大氣時(shí)，根據(jù)動(dòng)量變化原理，必有一反作用力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，這作用力可簡(jiǎn)單地以下式表示：

P=G/g(w-v)

上式中G為每秒鐘空氣流量，g為重力加速度，W為尾噴管噴射氣流的流速，V為飛機(jī)的飛行速度。

此反作用力P通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)架傳到飛機(jī)上，就是使飛機(jī)能克服外界大氣阻力往前飛行的推進(jìn)力。

在飛行馬氏數(shù)較大的飛機(jī)上，為了提高噴口效率及得到更大的推力，采用特殊形狀的噴口，此種噴口面積變化是先收斂，然后擴(kuò)張，氣流流經(jīng)此種噴口時(shí)，可以在出口達(dá)到超音速(圖7)。隨著飛行狀況的改變，這種超音速噴口也必需能夠調(diào)節(jié)，即使噴口及喉管的斷面積大小能夠變化。

圖7超音速尾噴口簡(jiǎn)圖

7.附件裝置

附件裝置包括燃油系統(tǒng)，滑油系統(tǒng)，起動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)各部件需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)器等等，這些附件是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所不可缺少的，并且，附件必需工作得足夠可靠與準(zhǔn)確。

渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)以后，空氣連續(xù)不斷地流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室中不斷地噴油燃燒，因此，上述各工作過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行著，發(fā)動(dòng)機(jī)也不斷地產(chǎn)生著推力。

從以上工作原理可以看出，渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)是一種很復(fù)雜的動(dòng)力裝置，它是由數(shù)千個(gè)制造得非常精密的零件組成的。同時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕，工作又可靠，各零件都是選用良好的材料制成的。

今天，我們國(guó)家已經(jīng)能制造渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)了，我們相信，明天，將有更多更好自己設(shè)計(jì)制造的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)飛上天空。