【教材】飞行推进力 (Propulsion)

飞行推进力 (Propulsion)

简介

19世纪末,早期航空工程师很清楚地了解到有人操纵飞机 (manned flight) 必须研发轻量(lightweight) 但强大的引擎。1860年,幸运地第一架实践的内燃机(internal-combustion engine)为成功铺上了一条康庄大道。可是不管汽油引擎(gasoline engine)发展地多快,Langley和Wright 兄弟都不停的设计他们的引擎务求达到更高的马力对重量的比值(horsepower-weight ratio). 至到第二次世界大战,往复式内燃螺旋桨引擎(internal combustion reciprocating engines)才真正的发扬。
在1903年到1945年,引擎的马力已从 12hp 升到 2200hp. 过后,推进力革命正式开始。

1930年, Frank Whittle 在英国申请喷射推进器(jet propeller)的专利权。1939年,德国 Heinkel He 178 飞机成功以 Hans Von Ohain 博士设计的涡轮喷气飞机引擎(turbojet engine) 试飞。另外一架喷气机 Me 262 (German) 也出现在第二次世界大战。突然地,喷气发动机 (jet engine)支配了飞机的推动力市场而其速度也达到了音速了(1950年)并在1960及1970年超越了音速。

但是,这帖只谈供氧引擎(Air-Breathing engine)而已。以名而论,供氧引擎就是需要用大气层的空气来推动引擎。主要供氧引擎(Air-Breathing engine)分为两大种类:I. 活塞发动机(piston engine)II. 燃气涡轮(gas turbine)。

而燃气涡轮(gas turbine)分为:1. 涡轮喷气(turbojet)2. 扇涡轮(turbofan) 3. 涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft) 4. 冲压式喷气(ramjet)

I.活塞发动机(piston engine)

*活塞发动机(piston engine)是与螺旋桨(propeller)结合的发动机来产生推动力
在飞行的40年初期。

*个别单位能产生推动力达至 2MW。现在,已限制用于轻型的低速飞机而且能产生推动力达至 4MW。

*主要的缺点是低动力对重量比(power/weight)及功率输出(power output)不是和前进速度(forward speed)正比(不像燃气涡轮,gas turbine)。

*一般上,活塞发动机是用空气冷却的。这是针对噪声考量而设计但却很重。

*一般上,活塞发动机是用汽油(gasoline) 偶而用柴油(diesel).

II.燃气涡轮(gas turbine)

*燃气涡轮发动机(gas turbine)很广泛的用于在现代飞机除了轻型的飞机用活塞发动机(piston engine)。

*主要特色是
—空气压缩机air compressor
—燃料喷射器fuel injector
—燃烧室combustion chamber
—涡轮机turbine

*动力量通过机械地涡轮机的传动轴(driving shaft) 来提取及增加喷嘴(nozzle)的排气量.

*轴向的压缩机比离心的压缩机能得到更高的压力比(至40倍)。

*煤油(kerosene)是一般的燃料

*燃气涡轮发动机的种类:1. 涡轮喷气(turbojet)2. 迂回流量比发动机(low bypass ration engine)3. 扇涡轮(turbofan) 4. 涡轮螺旋桨(turboprop/ turboshaft)

1.涡轮喷气(turbojet)

*五大结构的组成部分
a. 入口(intake)
大量地吸取空气然后有效地转交去压缩机。

b. 压缩机(compressor)
提升空压及温度。

c. 燃烧室(combustor)
参进煤油(kerosene)和空气然后燃烧混合物以提升空压及能量。

d. 涡轮(turbine)
从气体提取能量以轴来推动压缩机。

e. 喷嘴(nozzle)
促进气体排出量。

*简单的涡轮喷气发动机是采用单轴来横接涡轮和压缩机。

*高效率的涡轮喷气发动机采用多个阶段的涡轮,压缩机和轴装配但沉重,昂贵及复杂。