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世界航空發(fā)動機發(fā)展簡史

導(dǎo)讀航空發(fā)動機的歷史大致可分為兩個時期。第一個時期從首次動力開始到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束。在這個時期,活塞式發(fā)動機統(tǒng)治了40年左右。第二個時期從第二次世界大戰(zhàn)至今。60多年來,航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機,開創(chuàng)了噴氣時代。

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1903年,萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后,成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這臺發(fā)動機只發(fā)出8.95 kW的功率,重量卻有81 kg,功重比為0.11kW/daN。發(fā)動機通過兩根自行車上那樣的鏈條,帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。

 

在兩次世界大戰(zhàn)的推動下,活塞式發(fā)動機不斷改進完善,得到迅速發(fā)展,第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前后達到其技術(shù)的頂峰。發(fā)動機功率從近10kW提高到2500kW左右,功率重量比(發(fā)動機功率與發(fā)動機質(zhì)量的重力之比,簡稱功重比,計量單位是kW/daN)從0.11kW/daN提高到1.5kW/daN,飛行高度達15000m,飛行速度從16km/h提高到近800km/h,接近了螺旋槳飛機的速度極限。

 

20世紀30~40年代是活塞式發(fā)動機的全盛時期?;钊桨l(fā)動機加上螺旋槳,構(gòu)成了所有戰(zhàn)斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的動力裝置;活塞式發(fā)動機加上旋翼,構(gòu)成所有直升機的動力裝置。著名的活塞式發(fā)動機有:英國的梅林V12缸液冷式發(fā)動機,功率1120kW,用于“颶風(fēng)”、“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機;美國普拉特·惠特尼公司(簡稱普·惠公司)的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動機,氣缸7~28個,功率970~2500kW,廣泛用于各種戰(zhàn)斗機、轟炸機和運輸機。

 

帶螺旋槳的活塞式發(fā)動機的最大缺點是飛行速度受到限制(800km/h以下)。一方面,因為發(fā)動機需要功率與飛行速度的三次方成正比,隨著速度的提高,所需發(fā)動機功率急劇增大,而通過增加汽缸數(shù)目來增大功率所帶來的重量負荷飛機不能承受;另一方面,隨著飛行速度的提高,螺旋槳的效率急劇下降并有機毀人亡的危險。因此,為了實現(xiàn)高速飛行,必須尋求新的動力裝置,這就是噴氣式發(fā)動機。第二次世界大戰(zhàn)之后,隨著渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)展,活塞式發(fā)動機逐漸退出了航空領(lǐng)域的霸主地位。

 

二、噴氣推進新時代

1)噴氣發(fā)動機的誕生

噴氣式發(fā)動機是一種直接反作用推進裝置。低速工質(zhì)(空氣和燃料)經(jīng)增壓燃燒后以高速噴出而直接產(chǎn)生反作用推力。由于噴氣發(fā)動機沒有了限制飛行速度的螺旋槳,而且單位時間流入發(fā)動機的空氣流量比活塞式發(fā)動機大得多,從而能產(chǎn)生很大的推力,使飛機的飛行速度得到極大的提高。


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與噴氣發(fā)動機原理有關(guān)的研究已有久遠的歷史,中國古代的火箭和走馬燈就是噴氣推進和渦輪機原理的體現(xiàn)。

 

1913年,法國工程師雷恩·羅蘭獲得第一個噴氣發(fā)動機專利,它屬于無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機,與后來的沖壓發(fā)動機基本相同。沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、推力大,特別適合高速飛行。無壓氣機式噴氣發(fā)動機還有脈沖式發(fā)動機和火箭發(fā)動機。脈沖式發(fā)動機是沖壓噴氣發(fā)動機的一種特殊形式,沒有得到廣泛應(yīng)用。有壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機是由英國人弗萊克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海因在同一時期分別發(fā)明的。壓氣機有離心式、軸流式、組合式等多種,由后面的燃氣渦輪帶動,所以這類發(fā)動機又稱為渦輪噴氣發(fā)動機。

 

空軍少?;萏貭?/span>1930年申請了專利,19374月研制出世界上第一臺離心式渦輪噴氣發(fā)動機,試驗中的推力達到的推力為200daN。19415月,推力為650daN的改進型惠特爾發(fā)動機裝在格羅斯特公司的E28/29飛機上進行了成功的首飛。

 

奧海因在193810月試驗了采用軸流—離心組合式壓氣機的HeS3渦輪噴氣發(fā)動機,實測推力400daN,推力重力比1.121939827日,裝在德國亨克爾公司的He178飛機上成功首飛。這是世界上第一架試飛成功的渦輪噴氣發(fā)動機。

 

2)渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)展

早期的渦輪噴氣發(fā)動機和飛機尚處于試驗階段,在第二次世界大戰(zhàn)中并沒有發(fā)揮多大的作用,到戰(zhàn)后特別是20世紀50年代才獲得迅速的發(fā)展。戰(zhàn)后第一批裝備部隊使用的噴氣式戰(zhàn)斗機是1944年美國制造的F801946年蘇聯(lián)制造的米格—9,飛機為平直梯形機翼,發(fā)動機推力800~900daN,飛行速度900km/h左右。飛機速度達到聲速以后,為了突破“聲障”,在渦噴發(fā)動機上加裝了加力燃燒室,它可以在短時間內(nèi)加幅度提高推力。以后,戰(zhàn)斗機繼續(xù)向高空高速發(fā)展。1958年美國推出F104戰(zhàn)斗機,最大飛行馬赫數(shù)2.2,使用升限17.68km。動力為J79單轉(zhuǎn)子加力式渦輪噴氣發(fā)動機,最大推力7020daN,推重比4.63。渦輪噴氣發(fā)動機在軍用戰(zhàn)斗機上廣泛應(yīng)用的同時,也被其他機種所選用。首先是轟炸機,隨后是運輸機、旅客機和偵察機。

 

如果把20世紀40~50年代研制的單軸渦輪噴氣發(fā)動機算為第一代,那么50~60年代研制的加力式渦輪噴氣發(fā)動機為第二代,其循環(huán)和性能參數(shù)水平為:渦輪前燃氣溫度950~1100℃,推重比4.5~5.5,不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h),加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。

 

3)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的發(fā)展

渦噴發(fā)動機有一個致命的缺點,就是耗油率太高,渦扇發(fā)動機既能克服這個缺點又保有它原有的優(yōu)點。渦扇發(fā)動機與渦噴發(fā)動機的區(qū)別在于低壓壓氣機變成葉片的風(fēng)扇,風(fēng)扇出口氣流分成兩股通過內(nèi)外兩個環(huán)形涵道流過發(fā)動機。內(nèi)涵與前述渦輪噴氣發(fā)動機的情況相同,外涵空氣經(jīng)過涵道直接排出,或在低壓渦輪后與主流混合后經(jīng)噴管排出,或加力補燃后排出。在核心相同的條件下,由于渦輪風(fēng)扇發(fā)動機總空氣流量大,排氣速度低,所以與渦輪噴氣發(fā)動機相比,推力大,推進效率高,耗油率低。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機實質(zhì)上仍屬于直接反作用式渦輪噴氣發(fā)動機。

 

渦扇發(fā)動機誕生于20世紀50年代,首先用于民用飛機,隨后擴展到軍用飛機。20世紀60年代出現(xiàn)渦扇化熱潮,70~80年代發(fā)展提高、廣泛應(yīng)用,90年代以后高度發(fā)展,取代渦噴發(fā)動機成為軍民用飛機的主動力和航空推進技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。

 

世界上第一臺運轉(zhuǎn)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機是德國戴姆勒-奔馳研制的DB670(109-007),于19434月在實驗臺上達到840千克推力,但因技術(shù)困難及戰(zhàn)爭原因沒能獲得進一步發(fā)展。世界上第一種批量生產(chǎn)的渦扇發(fā)動機是1959年定型的英國康維,推力為5730daN,用于VC-10、DC-8和波音707客機。涵道比有0.30.6兩種,耗油率比同時期的渦噴發(fā)動機低10%~20%。1960年,美國在JT3C渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上改型研制成功JT3D渦扇發(fā)動機,推力超過7700daN,涵道比1.4,用于波音707DC-8客機以及軍用運輸機。

 

之后,渦扇發(fā)動機向低涵道比的軍用加力發(fā)動機和高涵道比的民用發(fā)動機的兩個方向發(fā)展。在低涵道比軍用加力渦扇發(fā)動機方面,20世紀60年代,英、美在民用渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202TF30,分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機和美國的F111(后又用于F-14戰(zhàn)斗機)。它們的推重比與同時期的渦噴發(fā)動機差不多,但中間耗油率低,使飛機航程大大增加。在70~80年代,各國研制出推重比8一級的渦扇發(fā)動機,如美國的F100、F404、F110,西歐三國的RB199,前蘇聯(lián)的RD-33AL-31F。它們裝備目前在一線的第三戰(zhàn)斗機,如F-15、F-16F-18、"狂風(fēng)"、米格-29和蘇-27。

 

目前,推重比10一級的渦扇發(fā)動機已研制成功,即將投入服役。它們包括美國的F-22/F119、西歐的EFA2000/EJ200和法國的"陣風(fēng)"/M88。其中,F-22/F119具有第四代戰(zhàn)斗機代表性特征--超聲速巡航、短距起落、超機動性和隱身能力。超聲速垂直起飛短距著陸的JSF動力裝置F135發(fā)動機。目前美國甚至在研制新一代變循環(huán)發(fā)動機。


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20世紀70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比(4~6)渦扇發(fā)動機投入使用以來,開創(chuàng)了大型寬體客機的新時代。后來,又發(fā)展出推力小于20000daN的不同推力級的高涵道比渦扇發(fā)動機,廣泛用于各種干線和支線客機。10000~15000daN推力級的CFM56系列已生產(chǎn)13000多臺,并創(chuàng)造了機上壽命超過30000h的記錄。民用渦扇發(fā)動機依然投入使用以來,已使巡航耗油率降低一半,噪聲下降20dB, CO、UHC、NOX分別減少70%、90%、45%。90年代中期裝備波音777投入使用的第二代高涵道比(6~9)渦扇發(fā)動機的推力超過35000daN。其中,通用電氣公司GE9X發(fā)動機在近期更是創(chuàng)造了近61噸推力的世界紀錄。目前,而普-惠公司推出的新一代齒輪渦扇發(fā)動機,在實際飛行中也表現(xiàn)出了油耗下降超過16%的驚人表現(xiàn)。

 

三、渦輪

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