上图为F100涡轮风扇发动机基本构造图。F100涡轮风扇发动机是美国研发的第四代航空发动机。F100是加力涡轮风扇发动机,加力燃烧室的火焰稳定器在图中的尾喷口以橙色显示。
为了使飞机能在空中移动,我们必须使用某种推进系统来产生推力。用于现代飞机的最广泛使用的推进系统形式是燃气涡轮发动机。涡轮发动机有多种形式。
涡轮喷气发动机(turbojet)
大多数现代客机和军用飞机由燃气涡轮发动机提供动力,也称为喷气发动机。最简单的燃气涡轮是涡轮喷气发动机。
图中描述了引擎的各个部分。通过发动机的空气会发生什么。大量的周围空气不断地进入发动机入口。(在英格兰,他们称这部分为进气口,这可能是一个更准确的描述,因为压缩机将空气吸入发动机。)
我们在这里展示了一个管形进气口,就像你在飞机上看到的那样。但根据飞机的用途,进气口有多种形状和尺寸。在进气口后部,空气进入压缩机。
原理
压缩机就像许多行翼型一样,每排产生压力小幅跳跃。压缩机也像电风扇。我们必须提供能量来转动压缩机。在压缩机出口处,空气的压力比自由流高得多。在燃烧器中,少量燃料与空气结合并被点燃。(在典型的喷气发动机中,100磅空气/秒与仅2磅燃料/秒相结合。大部分热排气来自周围空气。)离开燃烧器,热气通过涡轮机。涡轮机像风车一样工作。涡轮机被热气流推动,并旋转。在喷气发动机中,涡轮机获得的能量通过涡轮轴来转动压缩机。虽然涡轮机从热排气中吸收一部分能量,但是剩余的能量足以通过尾喷口以一定的速度向喷气发动机提供推力 。因为尾喷口速度大于自由流速度,所以如推力方程所述产生推力。对于喷气发动机,出口质量流量几乎等于自由流质量流量。而非常少的燃料被添加到流体中,所以忽略燃料质量。
涡轮喷气发动机的喷嘴通常设计成将排气压力恢复到自由流压力。然后通过一般推力方程给出涡轮喷气发动机的推力方程 ,其中压力面积项设定为零。如果自由流条件用“0”下标表示,退出条件用“e”下标表示,则推力F等于质量流量m乘以出口处的速度Ve减去自由流质量流量速度V0。
F = [m* V] e - [m* V] 0
该等式包含两个术语。
空气动力学家经常将第一项 (m* V)e称为总推力,因为该项主要与尾喷口中的条件有关。
第二项(m* V)0 称为柱塞阻力,通常与进气口条件有关。
为清楚起见,发动机推力则称为净推力。我们的推力方程表明净推力等于总推力减去柱塞阻力。如果我们将等式的两边除以质量流量,我们就会获得一个称为特定推力的效率参数 ,这大大简化了涡轮发动机的性能分析
下面分析一下推力方程(原谅我用了粗糙的手绘。),便于方程的理解。