飞机涡轮发动机的基本工作原理和结构是怎样的？

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涡轮喷气发动机

二战前，所有的飞机都使用活塞发动机作为动力。这种发动机本身不能产生前进动力，需要驱动一个螺旋桨使其在空中旋转，从而推动飞机前进。活塞发动机和螺旋桨的这种组合一直是飞机固定的推进方式，很少有人质疑。

到了20世纪30年代末，特别是二战时期，由于战争的需要，飞机的性能发展很快，飞行速度达到700-800 km/h，高度达到10000米以上。然而，人们突然发现螺旋桨飞机似乎达到了极限，即使工程师将发动机功率从1000千瓦提高到2000千瓦甚至30000米。

问题出在螺旋桨上。当飞机时速达到800公里时，螺旋桨尖因为一直在高速旋转，实际上已经接近音速了。这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨效率急剧下降，推力下降。同时螺旋桨迎风面积大，带来的阻力更大。而且随着飞行高度的增加，大气层变薄，活塞式发动机的功率也会急剧下降。这些因素综合在一起，决定了活塞式发动机+螺旋桨的推进模式已经走到了尽头。为了进一步提高飞行性能，必须采用全新的推进方式，喷气发动机应运而生。

喷气推进的原理大家都很熟悉。根据牛顿第三定律，所有作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。喷气发动机工作时，从前端吸入大量空气，燃烧后高速喷出。在这个过程中，发动机对气体施加力使其向后加速，气体也给发动机一个反作用力推动飞机前进。事实上，这个原理已经应用于实践很久了。我们玩的鞭炮是靠尾部喷出的火药气体的反应飞上天的。

早在1913年，法国工程师雷恩·罗兰(Rennes Loran)就获得了喷气发动机的专利，但这是一种冲压发动机，在当时的低转速下无法工作，缺乏所需的高温耐热材料。1930年，弗兰克·惠特尔获得了他的第一个燃气涡轮发动机专利，但直到11年后，他的发动机才完成了首飞，惠特尔的这种发动机形成了现代涡轮喷气发动机的基础。

现代涡喷发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管组成，战斗机的涡轮和喷管之间有一个加力燃烧室。涡喷发动机还是热机的一种，必须遵循热机做功的原理:高压输入能量，低压释放能量。所以从产生输出能量的原理来说，喷气发动机和活塞发动机是一样的，都需要进气、增压、燃烧、排气四个阶段。不同的是，在活塞式发动机中，这四个阶段是分时依次进行的，而在喷气发动机中，它们是连续的。气体依次流经喷气发动机的各个部分，对应活塞发动机的四个工作位置。

空气首先进入发动机的进气口。飞机飞行时，可以看作是以飞行速度流向发动机的气流。因为飞机的飞行速度是变化的，压气机的来流速度在一定范围内，所以进气道的作用就是通过可调管道将未来的流量调节到合适的速度。超音速飞行时，进气道前方和内部的气流速度降低到亚音速，此时气流的停滞可以使压力增加十倍甚至几十倍，大大超过压气机内的增压倍数，从而产生了一种只依靠速度冲压而没有压气机的冲压发动机。

进气口后面的压缩机专门用来提高气流的压力。当空气流过压缩机时，压缩机的工作叶片对空气流做功，使得空气流的压力和温度增加。亚音速时，压气机是气流增压的主要部件。

从燃烧室流出的高温高压气体流经与压缩机安装在同一轴上的涡轮。一部分气体可以在涡轮中膨胀，转化为机械能，驱动压缩机旋转。在涡喷发动机中，涡轮中气流膨胀所做的功，正好等于压气机压缩空气所消耗的功和传动附件克服摩擦所需要的功。燃烧后，涡轮前气体的能量大大增加，所以涡轮中的膨胀比远小于压缩机中的压缩比。涡轮出口的压力和温度远高于压气机进口的压力和温度，发动机的推力就来源于这部分气体能量。

从涡轮流出的高温高压气体在尾喷管中继续膨胀，沿发动机轴向高速从喷管向后排出。这个速度远大于气流进入发动机的速度，使发动机获得反作用推力。

一般来说，气流从燃烧室出来时温度越高，输入的能量越大，发动机的推力也就越大。但由于涡轮材料的限制，目前只能达到65，438+0，650 K左右。现代战斗机有时需要在短时间内增加推力，然后在涡轮后面加一个加力燃烧室喷射燃料，使未燃烧的气体与喷射的燃料混合重新燃烧。由于加力燃烧室没有旋转部件，温度可以达到2000K，可以将发动机的推力提高到1.5倍左右。它的缺点是油耗急剧增加，同时温度过高也影响发动机的寿命。所以发动机的加力一般是有限的，低空只有十几秒，多用于起飞或作战，高空可以开很长时间。

随着航空燃气轮机技术的发展，人们在涡喷发动机的基础上，根据增压技术的不同，发展出了冲压发动机、脉冲发动机等多种喷气发动机；根据输出能量的不同，有涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机和螺旋桨风扇发动机。

喷气发动机虽然在低速时油耗高于活塞发动机，但其优异的高速性能使其迅速取代后者，成为航空发动机的主流。