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      人文藝術 > 軍用航空發(fā)動機是不是溫度越高推力越大?

      軍用航空發(fā)動機是不是溫度越高推力越大?

      2020-09-17 00:33閱讀(106)

      軍用航空發(fā)動機是不是溫度越高推力越大?:航空發(fā)動機的推力大小與渦前溫度,進氣流量,涵道比,增壓比有關。也就是說,渦前溫度越高推力越大。推力與渦前溫度的

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      航空發(fā)動機的推力大小與渦前溫度,進氣流量,涵道比,增壓比有關。也就是說,渦前溫度越高推力越大。推力與渦前溫度的關系是:渦前溫度每提高100℃,推力就相應的增大10%—15%。此外,航空發(fā)動機的推力隨著進氣流量和涵道比以及增加比的增大而增大。

      因為戰(zhàn)斗機的體積不能太大,這也是限制戰(zhàn)斗機不能使用大涵道比發(fā)動機的原因之一。另外,大涵道比發(fā)動機適合低速飛行,較為省油;而小涵道比發(fā)動機適合高速飛行,比較費油。這也是運輸機,民航客機等采用大涵道比發(fā)動機,而戰(zhàn)斗機采用小涵道比發(fā)動機的原因。

      受制于戰(zhàn)斗機體積的限制,其發(fā)動機的涵道比不能過大,正常來說都在0.7以下。所以世界各軍事強國都用提高渦前溫度,以增大發(fā)動機的推力。例如:“渦扇-10”發(fā)動機的渦前溫度為1747K,推力為12.5噸;F119的渦前溫度為1977K,其推力為17.7噸?梢钥吹贸鰜,第四代發(fā)動機的渦前溫度比第三代發(fā)動機高了近300K,也就是100℃左右,而推力則相應的提升了5噸左右。由此可知,航空發(fā)動機的推力與渦前溫度的關系有多大。

      這也是世界各軍事強國紛紛投入巨大的人力,物力去研發(fā)新型單晶耐高溫合金以及金屬間化物的原因。目前來說,我國的第三代單晶耐高溫合金與世界先進水平并沒有性能上的差距。

      我國的第三代單晶耐高溫合金的型號是DD409,而美國的則是CMSX-10,日本的則是TMS-75。只不過美國的CMSX-10已經(jīng)被用于制造F119和F135發(fā)動機的核心機了,而我國的DD409還不知道上沒上四代大推。除了單晶耐高溫合金之外,我國還研發(fā)了金屬間化物IC10,其工作溫度在1150℃以下,主要用于第四代發(fā)動機的渦輪工作葉片。也就是說,“渦扇-15”發(fā)動機的高壓渦輪工作葉片極有可能選擇的是IC10,而導向葉片被低壓渦輪葉片極有可能選擇的是DD409。

      其實,說起單晶耐高溫合金的研制,日本走在了世界前列。日本已經(jīng)壓制出第四代單晶耐高溫合金TMS-138,第五代單晶耐高溫合金TMS-162。這兩種單晶耐高溫合金的性能比第三代單晶耐高溫合金要強的多,使用溫度也極高。要不日本的XF9-1航空發(fā)動機的渦前溫度也不會突破2000K這一大關。畢竟日本的材料技術在世界上都是領先的,率先開發(fā)出單晶耐高溫合金也理所當然。其實日本的TMS-75比DD409早了近10年的時間,這點還是要承認的。

      所以說,航空發(fā)動機極為考驗一個國家的材料技術,被稱為“工業(yè)的皇冠”也是能理解的。(圖片來自網(wǎng)絡)

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      這個溫度指的其實是渦輪前溫度。

      得有一個先提條件,那就是同一系列的發(fā)動機,不改變其他變量的情況下,確實是溫度越高推力越大。同一款發(fā)動機,渦輪的前進口溫度每增加10至15攝氏度,推力可增加1%至2%,所以提高渦前溫度可以大幅提高發(fā)動機推重比和發(fā)動機效率。這是因為發(fā)動機是一種熱機,服從布賴頓循環(huán),根據(jù)這個循環(huán)的規(guī)則,渦輪前和渦輪后溫差越大,做功越充分;轉化成渦輪轉動動能的比例越多,推重比自然越高。

      目前渦輪前溫度做的最高的是日本。比如日本最近吹的沸沸揚揚的XF-91,也就是F-3的配套發(fā)動機,渦輪前溫度已經(jīng)達到2073K,世界第一,推力達到了15噸以上。但是同樣的推力F-22噸F-119發(fā)動機只需要1850~1900K的渦輪前溫度就能做到。

      盡管推力指標與F-119不相上下,但其實是以提升單一指標為代價,這樣做成本更高

      對于系統(tǒng)工程來講,不是渦輪前溫度越高越好,而是滿足目標的前提下越低越好。要提高渦輪前溫度意味著材料方面要有很大突破。這不僅是材料科學的問題,還有材料本身成本的問題。要想提高渦輪葉片的耐高溫能力,必須在鎳基高溫合金基礎上添加錸,除此還沒有什么好的辦法。但是錸這種東西全球一年產量就40、50噸,連我國這樣幅員遼闊的國家都不敢放開用。所以還是得琢磨其他路子。所以飛機發(fā)動機的設計,只要還能總體設計上還能下功夫的,就不要在提高渦輪前溫度。必須要靠提高渦輪前溫度提升推力的,能不用錸,就不用錸(當然這似乎不太現(xiàn)實)。

      在現(xiàn)有基礎上要進一步提高渦輪前溫度是很困難的事情。必須添加錸金屬

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      正好恰恰相反。但其溫升是動力能源無法避免。

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      從理論上來說,軍用航空發(fā)動機確實是耐高溫性能
      越好推力就越大。

      我們都知道軍用航空發(fā)動機使用的燃料是航空煤油或者是JP燃料,這兩種燃料的最大燃燒溫度在1000℃左右(汽油1200、柴油1800),屬于發(fā)熱值較低的燃料,這樣低的溫度不足以讓飛機高速飛行,為了提高燃料的燃燒溫度,航空發(fā)動機采用進氣與燃油霧化混合→再壓縮后進入燃燒室燃燒的方式,來提高航空燃料的發(fā)熱值(理論上最高在2700℃左右),發(fā)熱值提高后產生的高溫氣流再去驅動航空發(fā)動機的轉子高速旋轉,輸出更大的功率...所以,航空發(fā)動機工作時必須要有高溫高壓氣流才行。
      但是,目前航空發(fā)動機的核心部分發(fā)動機轉子葉片所能承受的溫度只有1700℃左右,在這樣的高溫下會溶化的,這就出現(xiàn)了一個很大的矛盾,既要求燃料的發(fā)熱值高,但發(fā)動機的材料耐高溫能力有限,所以只能是另辟蹊徑的在葉片散熱方面下功夫。
      發(fā)動機葉片不是想象中的實心,它是空腔結構,葉片的壁非常薄只比A4略厚一點,葉片的內部有很大的空腔,壁很薄中間空腔這樣它的散熱效果就非常好,才能在高溫高壓下高速旋轉不至于溶化掉。
      F–16戰(zhàn)斗機起飛后尾噴口的尾焰呈橘紅色,因為是起飛(和艦載機起飛方式不一樣)發(fā)動機功率不必開到最高。

      那么,尾焰的溫度是多少攝氏度呢?根據(jù)測算飛機的尾焰呈橘紅色:代表1000℃、純橘色:代表:1100℃、金橘色代表:1200℃、金黃色代表:1300℃、金白色代表:1400℃、純白色代表:1500℃、白藍色代表:1500℃以上、天藍色代表:2000℃、藍色代表:2500℃。若是戰(zhàn)斗機的尾焰出現(xiàn)白藍色說明它已經(jīng)打開發(fā)動機的加力了,要進行超音速飛行。戰(zhàn)斗機設計的時速越快,它的尾焰就會越藍。
      SR–71戰(zhàn)略偵察機的最快飛行
      速度超過了3馬赫,所以它的尾焰呈白藍色,當然飛行速度越快也就越耗油。

      從上面的粗略介紹就會明白,軍用航空發(fā)動機所用的燃料正常的燃燒溫度一般,但是在發(fā)動機高壓空氣霧化的助燃下,它的燃燒溫度會非常高,這樣所產生的高溫氣流才能更快的驅動發(fā)動機的葉片,使飛機飛的更快。

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      航空發(fā)動機的設計是個系統(tǒng)性工程,絕不是說某方面怎樣就怎樣的。

      心神那個XF5-1發(fā)動機的渦輪前溫度是1900K,也就是1600度,跟F-22用的F-119發(fā)動機是一樣的,非常厲害。然而這個發(fā)動機的推力只有4.9噸,推重比7.8,別說跟F-119比,一些較為先進的二代機用的渦噴發(fā)動機都比它厲害。

      而且呢,我也不知道題目中“發(fā)動機溫度”具體指的什么。

      這是一個典型的渦噴發(fā)動機結構圖?諝鈴倪M氣道進入,經(jīng)過壓縮機壓縮后進入燃燒室與燃料混合燃燒后經(jīng)過渦輪機膨脹做功最后排出。壓氣機與渦輪機是同軸聯(lián)動的,所以壓氣機的轉速取決于空氣經(jīng)過渦輪機時做功多少。

      其中與溫度相關的主要是燃燒室溫度,渦輪前溫度,以及噴口位置的排氣溫度。

      這三個溫度我們分開說。

      先用初級方法解析一遍:

      根據(jù)沖量公式F×t=m×V,我們知道,噴氣式發(fā)動機推力取決于經(jīng)過發(fā)動機的空氣流量,以及噴出空氣的速度。

      空氣流量方面,發(fā)動機直徑越大當然流量越大,所以渦噴改渦扇光靠增加空氣流量就能提高推力。

      但是發(fā)動機直徑太大又裝不下,那么怎么讓發(fā)動機獲得更多的空氣呢?當然是提高發(fā)動機的壓縮機轉速,提高壓縮比,吸入更多的空氣從而增大推力。

      與之對應的,隨著壓縮比提高,空氣的溫度也會提高,理論上講燃燒室的燃燒溫度也會對應提高。

      所以,渦輪前溫度,燃燒室溫度都與推力正相關。

      但是排氣溫度就不是了。我們知道燃料燃燒產生的能量是固定的,發(fā)動機排出氣體的溫度越高,意味著大量的能量被用來加熱空氣而非提高燃氣速度。

      所以排氣溫度與推力負相關。

      (渦噴發(fā)動機如果安裝外涵道改為渦扇發(fā)動機,那么額外流入的冷空氣都能產生可觀的推力,所以渦扇推力普遍比渦噴更大)

      我們需要盡可能高的渦輪前溫度與燃燒室溫度,以及盡可能低的排氣溫度。

      接下來,有好好讀大學觀眾可以繼續(xù)往下看,用高級方法解析一遍。

      噴氣式發(fā)動機的工作原理是“布雷頓循環(huán)”。

      這幅圖中,t軸是溫度,s軸是熵。

      0這個點代表普通大氣下的氣體狀態(tài)。

      從0到2的過程中,空氣被等熵壓縮,內能不變,但是因為體積變小所以溫度增加。

      2這個點代表空氣經(jīng)過壓氣機壓縮后的狀態(tài),溫度更高,總熵不變。

      2-3代表空氣在燃燒室與燃料混合并燃燒的過程,在這個過程中熵增大,溫度也變高。

      3這個點代表燃燒之后的空氣。

      而空氣到3這個點的溫度,就是渦輪前溫度,此時空氣已經(jīng)經(jīng)過壓縮并與燃料混合燃燒獲得了額外的化學能,接下來他要流過渦輪進行等熵膨脹并對渦輪做功,驅動渦輪轉動,而渦輪與前方的壓氣機是同軸相連的,而前方的壓氣機轉動壓縮進氣道進入的空氣。壓氣機轉的越快,吸入的空氣就越多。

      當空氣驅動渦輪做功之后,再排出產生推力。

      如果需要的話,還可以在加力燃燒室里燃燒一次,進一步提高內能并膨脹加速,提高推力。

      在這個過程中,燃燒室溫度越高說明空氣內能越大,最終空氣膨脹后產生的推力越大。而渦輪前溫度越高,壓氣機轉速越高,吸入的空氣就越多,最終噴出的空氣質量越多,推力也就越大。

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      謝邀,溫度是指前室溫度,同等條件下,這一溫度越高必然推力越大

      首先,航空發(fā)動機領域通常講的溫度是指前室溫度,而不是指尾噴管噴出的氣流溫度。前室溫度又稱渦輪前溫度,是指氣流在燃燒室燃燒后,到達渦輪機時的溫度。航空發(fā)動機在燃燒室燃燒后是要驅動渦輪機高速轉動做功,產生的力通過轉軸驅動進氣口渦輪風扇和壓氣機工作。這一區(qū)域溫度上限,取決于渦輪機扇葉所能承受的高溫的上限,這才是航空發(fā)動機領域最最最核心的關鍵性技術。渦輪前溫度,介于燃燒室和渦輪機之間的區(qū)域溫度

      噴氣式發(fā)動機產生的動力來源來自,氣體膨脹后高速流出產生推力。氣體膨脹來自兩個方面,一個是空氣熱膨脹,氣體加熱后膨脹做功,另一個是燃料燃燒產生的氣體。如果前室溫度允許上限越高,那么空氣冷熱端差異加大,膨脹率也就更高,同時燃燒室可以加注更多燃油,使得燃燒更加充分,兩者都必然導致氣流經(jīng)燃燒室后膨脹率更高,可以產生更高的推力。同時渦輪機驅動力也就更高,可以帶動壓氣機和涵道風扇更加努力干活,推力也自然而然上去了。渦扇發(fā)動機吸入發(fā)動機的空氣含量遠超過燃料燃燒所需,所以戰(zhàn)斗機普遍在發(fā)動機渦輪機后再設置加力區(qū)域,必要時噴射燃料利用剩余氧氣繼續(xù)產生動力,不過方式燃料利用率低很多。而戰(zhàn)斗機發(fā)動機溫度最高的區(qū)域則是加力燃燒室這一區(qū)域,溫度可以超過2000℃。

      這也是為什么比較航空發(fā)動機技術水平,最簡單的指標就是前室溫度,早期航空發(fā)動機,前室溫度只有600℃左右,到現(xiàn)在第三代航空發(fā)動機可以達到1400℃。第四代航空發(fā)動機美國的F119可以達到1677℃,但各國目標是提到到1728℃(2000K),下一代航空發(fā)動機更是計劃能夠突破2000℃(2272K)以上。

      這方面技術進步可以說是代表當今材料學最頂尖的技術水平,渦輪盤葉片材料從早期的鐵基,到鐵鎳合金基,再到粉末合金。簡單說下第三代航空發(fā)動機葉片加工方式是,將各種材料金屬粉末按比例和方式調好,在高溫高壓下環(huán)境下將其壓鑄成晶體合金。再加工退火過程中,還要嚴格控制一點點冷卻,確保一件加工件中只有一個結晶核。這樣才能確保加工出來的渦輪盤扇葉在一千多攝氏度環(huán)境中,高扭力情況下,安全的以每秒數(shù)千轉的轉速高速運行。中航工業(yè)“左盟主”2015年央視《對話》欄目中手里顯擺的據(jù)說就是太行發(fā)動機的單晶葉片

      而現(xiàn)在到了第四代航空發(fā)動機,這個合金配方要升級,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第四代,加工技術上,要講一次成型,要求一層渦輪盤整體制造出來,整個渦輪盤都只能有一個結晶核。這就是為什么要稱航空發(fā)動機為工業(yè)皇冠的明珠原因所在,甚至可以說,現(xiàn)在比較熱門的3D打印技術的技術原理,不過是70年代早期航空發(fā)動機加工技術的民用化應用。

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      個人的答案,是有關系,但不是必然關系。來劃一個重點是,達不到一定溫度,壽命不高。如果一個國家舉國之力,不惜成本,來打造一臺耐高溫的發(fā)動機,不說都能做到,凡航發(fā)大國,都是可以辦得到的,主要是做成這樣的發(fā)動機,不具任何意義。

      在網(wǎng)絡,發(fā)動機的所有結構一清二楚,有實現(xiàn)條件的國家太多太多,但要體現(xiàn)很高的經(jīng)濟性,現(xiàn)在辦得到的只有航發(fā)三巨頭,通用、普惠和羅羅。其他國家辦不到的主要原因,正是卡在了經(jīng)濟性上;蛴薪(jīng)濟性,沒有壽命性;或有壽命性,難有經(jīng)濟性。

      我們知道,航發(fā)研制的難題集中在三個方面,一是材料,二是工藝,三是時間,貴就貴在材料上,工藝的難點在于高可靠性,時間的重點在于提高經(jīng)濟性。溫度的考驗正是材料,達不到必須的溫度,即難實現(xiàn)相當?shù)耐屏Γ瑝勖矔艿接绊,所以材料水平直接影響著發(fā)動機的質量。鐵的融點是1538攝氏度,沸點是2750攝氏度,而現(xiàn)代航發(fā)要求的渦輪前溫度,大致到了2000度的水準,什么樣的材料經(jīng)受得住這樣的考驗呢?

      2016年,國內關注的一則重大新聞,即來自航發(fā)材料,南京理工大學的陳光團隊,打造的合金PST TiAl單晶,進步性主要集中體現(xiàn)在溫度上,其室溫拉伸塑性和屈服強度,比之世上最強發(fā)動機GEnx,要高8代以上,從而證明我們在在材料技術所取得的又一項重大重破。這樣的突破越來越多,我們的航發(fā)技術自然水漲船高。

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      眾所周知,目前被戰(zhàn)斗機所廣泛使用的渦扇發(fā)動機,其產生推力主要原理是將空氣由進氣道吸入、經(jīng)過壓氣機進行壓縮、壓縮之后的空氣在燃燒室中與燃油進行充分混合、在點火之后氣體燃燒膨脹經(jīng)過渦輪機、再由尾噴口排出這一高溫高速氣體,產生的反作用力就是渦扇發(fā)動機的推力。

      在明白渦扇發(fā)動機產生推力的主要原理之后,就可以知道想要提升發(fā)動機的推力方法,比如可以通過提高風扇進氣量、增大風扇壓比、提升渦輪口進口溫度(渦輪前溫度)等,而這之中最有效的辦法就是提升渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度,此舉能有效提升發(fā)動機的單位推力和推重比。

      根據(jù)相關文獻表明,在其他條件不變的情況下,渦扇發(fā)動機渦輪前溫度每提升100℃(攝氏度),該發(fā)動機的最大推力就可以提升10%-20%。所以,在材料耐高溫能力和渦輪葉片冷卻技術允許的情況下,盡可能提升發(fā)動機渦輪前溫度是提升發(fā)動機推力的重要手段。

      而想要提升發(fā)動機渦輪前溫度也就需要渦輪葉片有著更強的耐高溫能力,第三代發(fā)動機渦輪葉片大多使用的第一代單晶和定向凝固高溫合金,在加之氣膜冷卻單通道空心技術,使得渦輪葉片的使用溫度1600K-1750K,發(fā)動機的推重比在7-8之間,渦扇-10系列發(fā)動機就屬于第三代發(fā)動機。

      而到了第四代渦扇發(fā)動機,使用的是第二代單晶鎳基合金技術,通過添加鈷、錸、釕等稀有技術采用提升微觀結構,再加上多通道高壓空氣冷卻技術使得渦輪葉片的使用溫度達到1800K-2000K,推重比可以達到9-11,歐洲EJ-200、美國的F-119、F-135等渦扇發(fā)動機則都屬于第四代航空發(fā)動機。

      根據(jù)公開資料來看,目前已知渦輪前溫度最高的渦扇發(fā)動機是F-22戰(zhàn)機所用的F-119發(fā)動機的1970K(約合1700℃),雖然該發(fā)動機的最大推力為16噸(涵道比0.3),16噸推力再全球雖然不是最高的,但該發(fā)動機卻有著大于10:1的推重比(自身重量1.36噸),性能可謂是相當強悍。

      另外,通過增加涵道比也可以提升發(fā)動機推力,如F-35戰(zhàn)機所用的F-135發(fā)動機將涵道比增加到0.57之后,推力增加到了18噸(實驗推力20.4噸),美國通用公司的GE9X渦扇發(fā)動機將涵道比增加到10之后,推力達到了61噸,是目前所有航空發(fā)動機中推力最大的一款,但大涵道比渦扇發(fā)動機并不是高速飛行的戰(zhàn)斗機。

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      談提高溫度而不提卡諾效率是一種沒有科學頭腦的忽悠,熱機必然要遵守的,沒有突破。所以單講推力和溫度關系更是片面了。一定要把熱機定律摸透再去提高溫度,溫度提高,材料就會被卡住,然后就鉆牛角尖。

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      如果是說渦輪前溫度,是這樣的。

      航空發(fā)動機里無論是渦噴發(fā)動機還是渦扇發(fā)動機,從前到后都包括了:風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪這幾部分。軍用發(fā)動機可能還有加力燃燒室。從提高推力角度來說,這四部分都可以做出貢獻。

      風扇最簡單,稍微加大一點直徑就可以把推力提高。但由于軍機一般是把發(fā)動機內置,風扇不能無限制的擴大,所以,這招不能用得太狠。另外,風扇也有個與后面壓氣機的匹配問題,搞不好的話,發(fā)動機都不能正常工作。

      壓氣機難度大,這里考驗的是設計功底:壓氣機的增壓比提高,可以減少壓氣機級數(shù),很有利于發(fā)動機減重。但是,過高的壓比會導致壓氣機的喘振裕度下降,這樣的話,發(fā)動機就很不穩(wěn)定,在包線邊緣稍微做點動作就會喘振甚至熄火。所以,壓氣機如何設計得又輕又皮實絕對是功夫活。

      燃燒室的難度也比較大,如果能把燃燒室長度縮短,也很有利于減重。但是如何保證穩(wěn)定燃燒?這是燃燒室設計的基本要求。因此,設計師要在保證穩(wěn)定燃燒的前提下盡可能縮短燃燒室長度。

      渦輪的難度在于材料、冷卻。如果把渦輪前溫度提高,那么推力確實可以提高,但帶來的麻煩就是你有沒有足夠水平的材料扛住高溫。渦輪是發(fā)動機中工作環(huán)境最惡劣的部件,要在高溫、高壓、高腐蝕性的環(huán)境里長期工作,還不能發(fā)生嚴重的形變(高溫下金屬材料很容易蠕變),因此人們給渦輪葉片想出各種辦法降溫,比如空心葉片,讓一部分溫度偏低的空氣從葉片中的孔洞里穿過,可以帶走不少熱量。但氣流不能太大,超過4%就會影響推力了。

      總之,提高發(fā)動機推力的辦法有不少,每一條研究起來都不容易。所以,航空發(fā)動機才是難度系數(shù)最高的工業(yè)品,有現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的鉆石之稱。