飞行理论图解 · 飞机系统

涡轮发动机图解

燃气发生器 · 涡扇 · 反推 · 推力管理

吸气、压缩、燃烧、膨胀、喷出去
涡轮发动机的推力,就是这么一连串来的

燃气发生器=压气机+燃烧室+涡轮 · 反推空中严禁

涡轮发动机靠压气机、燃烧室、涡轮、喷管完成压缩、燃烧、膨胀做功和排气;民航用涡扇,大部分推力由风扇产生;推力按起飞/复飞、最大连续、最大巡航、慢车四档管理;反推只在着陆或中断起飞时用,速度低了要收、空中严禁。本页 6 个 stage 覆盖考纲「涡轮式发动机」一节(原理及分类、反推、操作和系统监控 + 第二部分样题)。

01 原理与五大部件

进 → 压 → 烧 → 涡 → 喷

涡轮发动机五大部件流程(剖面示意) 进气道 → 压气机 → 燃烧室 → 涡轮 → 喷管 进气道 压气机 燃烧室 涡轮 喷管 把足够空气以最小损失引入 · 高速时冲压预压缩 高速旋转叶片压缩空气 高压空气和燃油混合燃烧 → 高温高压燃气 燃气膨胀做功 · 带动压气机和附件 燃气继续膨胀加速 → 产生推力 燃气发生器 = 压气机 + 燃烧室 + 涡轮 附件齿轮箱:由涡轮带动 保证燃油、滑油、点火系统工作 并提供液压源和电源 燃气发生器是各种发动机的核心 · 附件齿轮箱让发动机「带动一圈设备」 齿轮箱(示意)
JT9D 涡扇发动机剖面实物:进气道、压气机多级叶片、燃烧室、涡轮逐级可见
实景 · JT9D 涡扇发动机剖面(博物馆剖开展示)——前部大风扇、逐级压气机叶片、燃烧室、涡轮都能对着剖面图认(Pratt & Whitney JT9D;Wikimedia Commons,CC BY 2.0)
工作循环
压气机、燃烧室、涡轮、喷管完成压缩、燃烧、膨胀做功和排气,涡轮高速旋转带动压气机和附件
五大部件
进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管
进气道
把足够空气以最小损失引入压气机;飞行速度够大时,还能靠冲压把空气预先压缩增压
压气机
用高速旋转叶片压缩空气
燃烧室
让高压空气和燃油混合燃烧,变成高温高压燃气
涡轮
让燃气膨胀做功,带动压气机和附件
喷管
让燃气继续膨胀加速,产生推力
燃气发生器
压气机、燃烧室、涡轮合称燃气发生器,是各种发动机的核心
附件齿轮箱
保证燃油、滑油、点火系统工作,并提供液压源和电源

注 · 按气流方向记五大部件:进 → 压 → 烧 → 涡 → 喷;其中「压气机 + 燃烧室 + 涡轮」就是燃气发生器,涡喷、涡扇都离不开它。

02 四种结构类型

涡喷 / 涡扇 / 涡桨 / 涡轴

四种结构类型对照 涡喷 核心喷气 → 喷管喷气推力 推力来源 喷管喷气 特点 不经济 用途 民航已不用 涡扇 核心机 推力来源 大部分由风扇产生 特点 油耗低、噪声低 用途 民航用得广 涡桨 核心机 减速器 → 螺旋桨 拉力来源 螺旋桨产生主要拉力 特点 尾喷管推力很小 用途 考纲未给出 涡轴 核心机 输出轴 → 旋翼 推力来源 考纲未给出 特点 考纲未给出 用途 一般用于直升机 四类都是在燃气发生器上加装不同部件 · 民航客机主力是涡扇
类型推力来源特点用途
涡喷喷管喷气不经济民航已不用
涡扇大部分由风扇产生油耗低、噪声低民航用得广
涡桨螺旋桨产生主要拉力尾喷管推力很小考纲未给出
涡轴考纲未给出考纲未给出一般用于直升机
结构类型
涡喷、涡扇、涡桨、涡轴
涡喷
不经济、民航已不用
涡轴
一般用于直升机
涡扇
加装低压涡轮和风扇;外涵道气流像螺旋桨产生推力并冷却核心机;大部分推力由风扇产生;油耗噪声低、民航用得广
涡桨
由低压涡轮带动螺旋桨产生主要拉力,尾喷管推力很小

注 · 记法:涡喷—纯喷气涡扇—风扇加核心机涡桨—螺旋桨为主涡轴—直升机。区分点就在「谁产生主要推力/拉力」。

03 涡扇的推力从哪来

燃气发生器 + 低压涡轮 + 风扇

涡扇 = 燃气发生器 + 低压涡轮 + 大风扇 风扇 压气机 燃烧室 高压涡轮 低压涡轮 低压轴:低压涡轮带动风扇 内涵道气流 → 进燃气发生器 外涵道气流(从核心发动机外流过 → 产生推力并冷却核心机) 外涵道(蓝色) 气流从核心发动机外圈流过 产生大部分推力 · 并冷却核心机 民航涡扇推力大头在风扇 内涵道(黄色) 气流进燃气发生器(压气机 → 燃烧室 → 涡轮) 维持发动机运转并从尾喷提供部分推力 核心机 = 燃气发生器
涡扇结构
在燃气发生器基础上增加低压涡轮和风扇;低压涡轮使燃气进一步膨胀做功,带动风扇产生推力(样题口径)
气流分路
气流分内外两部分:外涵道气流从核心发动机外流过,产生推力,类似螺旋桨,同时冷却核心机

注 · 记住分工:内涵道烧油做功、驱动压气机与风扇;外涵道产生大部分推力并给核心机降温。这是涡扇比涡喷更省油、更安静的原因。

04 四种工作状态

起飞/复飞 → 最大连续 → 最大巡航 → 慢车

民用航空发动机常用四种工作状态(推力从高到低) 推力大小 → 起飞/复飞 最大推力 · 转速和涡轮前燃气总温接近最大 连续使用一般限制 5 或 10 分钟 · 仅限起飞/复飞用 最大连续 连续工作的最大推力 只在确保飞行安全时由机长决定使用 · 如单发或应急爬高 最大巡航 巡航时最大推力 转速和温度离最大限制较远 · 使用时间不受限 · 长距离飞行 慢车 最小转速 发动机稳定工作的最小转速 · 涡轮前燃气总温较高 · 使用时间也受限制 常用于着陆和滑行
四种状态
按推力大小:起飞/复飞、最大连续、最大巡航、慢车
起飞/复飞
最大推力;转速和涡轮前燃气总温接近最大;连续使用一般限制 5 或 10 分钟,仅限起飞/复飞用
最大连续
连续工作的最大推力;只在确保飞行安全时由机长决定使用,如单发或应急爬高
最大巡航
巡航时最大推力;转速和温度离最大限制较远,使用时间不受限,用于长距离飞行
慢车
发动机稳定工作的最小转速;涡轮前燃气总温较高、使用时间也受限制,常用于着陆和滑行

注 · 记推力四档:起飞/复飞最猛但限时最大连续能顶住但不能长用最大巡航随便用慢车最小且也限时

05 反推

改变喷气方向 · 空中严禁

反推:把喷气方向改向前方 正常喷气 发动机短舱 燃气向后喷 反推(阻流门展开 · 折流转向前方) 阻流门 气流折向斜前方 → 反推 使用规则 ① 用于着陆或中断起飞减速 ② 滑跑速度降到特定值 → 减小或停止 ③ 空中严禁使用 速度低了要收 · 空中碰都别碰 样题 · 速度低于一定值为什么不能用反推 ① 高速气流可能被吸入发动机进气道  → 工作不稳定:压气机失速、喘振甚至熄火 ② 可能把地面杂物卷起吸入发动机,造成损坏 ③ 低速时反推减速效果差 因此:速度低于规定值应停止使用反推 空中严禁使用或尝试使用反推 吸入 · 卷物 · 效果差 着陆滑跑减速链 接地 → 开反推(+刹车+扰流板)→ 高速段主要靠反推 速度降到特定值 → 收反推 → 低速段交给刹车
A319 着陆滑跑反推展开:发动机后段阻流罩后移露出折流格栅
实景 · 反推展开(A319 着陆滑跑中)——短舱后段整体后移,露出折流格栅把外涵气流导向斜前方(easyJet,Bristol;Wikimedia Commons,公有领域)
V2500 发动机反推格栅特写
实景 · 反推格栅特写(IAE V2500)——格栅后方的网格就是折流转向前方的气流通道(Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0)
原理
靠改变喷气方向,让高速气流向斜前方喷出,产生反推力帮飞机减速
使用时机
用于着陆或中断起飞减速
收反推
滑跑速度降到特定值时要减小或停止;空中严禁使用
低速禁用
速度过低时,反推喷出的高速气流可能被吸入发动机进气道,造成发动机工作不稳定(压气机失速、喘振甚至熄火),并可能将地面杂物卷起吸入发动机造成损坏,同时低速时反推减速效果差
处置
速度低于规定值时应停止使用反推;空中严禁使用或尝试使用反推

注 · 反推的三条禁用逻辑:吸入(进气道吸回热气)、卷物(地面杂物打伤发动机)、效果差(低速时反推力帮不上忙)。

06 系统与监控

工作系统 · 监控参数 · 发动机保护

系统与监控:五只表盯转速、温度、流量、振动 工作系统 排气系统 点火系统 燃油系统 滑油系统 由附件齿轮箱带动 并配电子控制系统 电子控制:管理推力 · 保护发动机 驾驶舱监控面板 EPR / 转速 推力管理主参数 EGT 排气温度 红弧 = 温度上限 FF 燃油流量 ITT 涡轮级间温度 VIB 发动机振动 样题卡 监视参数的目的 实现推力的管理 和发动机的保护 把参数控制在规定 限制范围内,防止: 超转 · 超温 润滑不良 等异常损坏发动机 超限 → 按相应程序处置 保证飞行安全 转速/EPR · EGT · FF · ITT · VIB
状态推力使用时间限制用途
起飞/复飞最大推力连续使用一般限制 5 或 10 分钟仅限起飞/复飞用
最大连续连续工作的最大推力仅在确保飞行安全时由机长决定使用单发或应急爬高
最大巡航巡航时最大推力使用时间不受限长距离飞行
慢车稳定工作的最小转速使用时间也受限制着陆和滑行
工作系统
排气、点火、燃油、滑油系统等
电子控制
发动机通常配电子控制系统,管理推力、保护发动机
监视参数
压气机转子转速或 EPR、排气温度 EGT、燃油流量 FF、涡轮级间温度 ITT、发动机振动 VIB,防止超速超温
监视目的
实现发动机推力的管理和发动机的保护:主要监视压气机转子转速或压力比(EPR)、涡轮排气温度(EGT)、滑油压力和温度、燃油流量等参数,掌握发动机工作状态,把各参数控制在规定限制范围内,防止发动机超转、超温、润滑不良等异常情况损坏发动机
超限处置
一旦出现超出正常范围的情况,应按相应程序处理,保证飞行安全

注 · 监控口诀:转速/EPR、EGT、FF、ITT、VIB 五样盯住,核心是不超转、不超温、不缺润滑