【巧夺天工的原理！】讨论！涡轮喷气引擎做功的本质。

summerstar · 发表于 2011-6-17 21:44:41

弱弱地讲一下我所知道的关于喷气引擎的原理，抛砖引玉，如有说错，欢迎拍砖！

以前一直在想：燃气在火焰筒里快速膨胀，为什么不从前面排出，而直往后喷而驱动飞机的呢？我们知道脉冲引擎有簧片控制进气口，那么涡轮喷气引擎呢？

直到我请教了一位老师才恍然大悟！现在加上自己的理解讲给大家：

我们知道，燃烧膨胀本不能产生推力，如：煤气灶、喷灯，必须有间接的介质才能做功，如：内燃机（活塞）、火箭（动量守恒）。然而喷气引擎似乎做到了这一点：一根铁筒，自动地从一端吸气，燃气燃烧，另一端就排气产生推力，很神奇。这是为什么呢？也许你会说：“有涡轮在里面吹呗！” 这话不假，一个空的铁筒里面点上火确实不会有推力。但是这没有答到点子上！

为什么喷气引擎是“风扇”+燃烧室，燃气就做了功，而我自己在吹风机前面套个铁桶，里面点上火，燃气就没有做功呢？前辈们在如何直接利用燃气做功这个问题上可谓殚精竭虑，最后才有了巧夺天工的涡轮喷气引擎。

为了解答这个问题，要先说一下高速气体特有的一个重要性质——“管道口径扩大、流速反而上升”这一看似有违流体力学的现象。这是因为高速下的气流在收缩通道中会受到剧烈压缩，故出口口径增大时一口气减压、体积变大，所以速度反而上升（拉瓦尔喷管）。

再说涡轮机是如何利用这个效应的。关键是在燃烧室前的压气机里形成的气流必须是是接近音速的，而火焰筒是“大肚子”的，进入火焰筒的气流形成反常的“管道口径扩大、流速反而上升”的状态，达到“恒压燃烧”的效果（就是气体虽膨胀，而压力不变，全部向后高速排出），才能达到把热能转换成动能的目的。引擎不同阶段的压力不同（燃烧室压力低于压气机）形造成火焰筒里的“恒压燃烧”才是喷气引擎能持续工作，而快速膨胀的燃气却不会从前面排出的根本原因。

也只有压缩过的高速气体进入燃烧室，才能做功。试想，没有压缩的或流速和压缩度不够的气体进入火焰筒，点火，引擎肯定变炉子——不做有用功，只发热。
恒压燃烧就是燃气有效做功的本质！

其次，其实引擎吸、排气的流速是相同的（呵呵，很不可思议吧），这与火箭引擎是不同的。排气口的截面积大于进气口的截面积，流速相同，而流量变大，这正是燃气膨胀所做的功，推力也是由此而来。

因此，压气机和涡轮只是辅助设备，提供一个燃烧的环境，真正造成推力的不是涡轮，而是小小的火焰筒！请诸位好好体会一下“做有用功”四字背后包涵的前人的智慧！

有一种冲压式喷气发动机，就是一个大肚子的、有喷油嘴的空筒（一个大的燃烧室），没有压气机和涡轮。它工作在高超音速下（空空导_弹、空天飞机），发动机进气口处形成的激波取代压气机压缩了空气，空气在进入后也是减压加速，内部也是等压燃烧的环境。当然，它的排气口也比进气口大。从这种发动机上我们能更加直观地了解到喷气引擎工作的本质。它是一个能做功的空铁筒！

ssaweee · 发表于 2011-6-17 21:52:37

学学热力学。

gzhuli · 发表于 2011-6-17 22:07:02

看来又有人准备动手做涡喷了？

xiaoyu7728 · 发表于 2011-6-17 22:16:16

嗯，写的不错！！！

summerstar · 发表于 2011-6-17 22:17:11

回复【2楼】gzhuli 咕唧霖
看来又有人准备动手做涡喷了？
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呵呵，有高手在做，我怎能轻举妄动~这可不是一般人能搞的

ssaweee · 发表于 2011-6-18 08:08:51

回复【4楼】summerstar
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高温合金不好加工啊。

hittiger · 发表于 2011-6-18 10:44:27

我这样理解：你把一个燃气桶两端设计成一端口大，一端口小。然后分别放两个活塞，中间用用杆连接。想象，相同的压强下，压力是与表面积成正比。而连杆将两端联系起来了，构成了一个不平衡的系统，连杆好比那个涡轮轴。至于不用涡轮的发动机什么的，我觉得可以这样理解，你在飞行器后面放炸_弹引爆获得推力，然后连续的引爆就是发动机了。

summerstar · 发表于 2011-6-18 13:06:42

回复【6楼】hittiger 杨乾坤
我这样理解：你把一个燃气桶两端设计成一端口大，一端口小。然后分别放两个活塞，中间用用杆连接。想象，相同的压强下，压力是与表面积成正比。而连杆将两端联系起来了，构成了一个不平衡的系统，连杆好比那个涡轮轴。至于不用涡轮的发动机什么的，我觉得可以这样理解，你在飞行器后面放炸_弹引爆获得推力，然后连续的引爆就是发动机了。
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不太认同您的观点。

您第一个“压强传递”确有其事，比如水压机、液压千斤顶。但这与引擎的原理相去甚远。因为这种靠增加活塞面积使压力增大是以牺牲位移量为代价的——比如液压千斤顶压很多下才上升一点。只是因为前端压入的体积和末端压出的体积是相同的，体积守恒，截面积变大，位移减小，总能量守恒，系统没有向外界做功。

您的第二个观点，我认为冲压发动机不等于火箭、炮弹等，没有前端封闭的燃烧室，而是两端开口。所以靠的还是高速下空气“管道口径扩大、流速反而上升”的特性。

涡轮发动机和冲压发动机本质原理是一样的，要把握它的本质，思考它与火箭或螺旋桨推进原理的根本区别

summerstar · 发表于 2011-6-18 13:18:57

喷气引擎做功核心过程

进入燃烧室前空气压缩（流速逐段下降、密度上升）
|
刚进入燃烧室管道扩张（减压，密度下降，流速上升）
|
在中间段燃烧管道扩张（体积迅速增大，但因为管道扩张，所以密度不变、流速不变）//这就是“恒压燃烧”，此时虽流速、压力不变，
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|                                                                      体，故而产生冲量。
|
排气道中    扩张，气体减速、冷却，降低至与进气速度一致（与火箭不同吧），产生推力

这个过程中，前一级的压力总比后一级大，因此燃气才不会倒灌

可以参考《航空航天技术概论》北京航空航天大学出版社吴永康等著

lyz_1900 · 发表于 2011-6-18 13:21:41

御坂美琴。。。顶。。。。。。

Core_i7 · 发表于 2011-6-18 13:26:51

学在清华；玩在北大；死在北航自动化！

求解！！！

summerstar · 发表于 2011-6-18 13:35:31

回复【10楼】Core i7
学在清华；玩在北大；死在北航自动化！
求解！！！
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这是学生中流传的一句话.....切身体会啊.....

自动化累众所周知，更别说是北航。。课又难又多,机、电、控制理论。。具体就不展开说了，太多.....

不过还是有不少很有趣的科技活动的~ 像“冯如杯”、挑战杯、大学生电子设计竞赛，北航都有份。很充实！

cyr_hongfeng · 发表于 2011-6-18 13:44:11

炮姐果然强大

linghu2 · 发表于 2011-6-18 14:25:41

回复【楼主位】summerstar 夏夜的星空

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来自：帝都航空航天大学,问老师呀

tsb0574 · 发表于 2011-6-18 15:15:11

谢谢高手来扫盲

root · 发表于 2011-6-18 15:20:40

不是学热机的，飘过

Jigsaw · 发表于 2011-6-18 15:22:08

回复【12楼】cyr_hongfeng
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Female？

lcmdw · 发表于 2011-6-18 15:44:01

mark

bigallium · 发表于 2011-6-18 16:52:46

“其次，其实引擎吸、排气的流速是相同的（呵呵，很不可思议吧），这与火箭引擎是不同的。排气口的截面积大于进气口的截面积，流速相同，而流量变大，这正是燃气膨胀所做的功，推力也是由此而来。”

是这样么?我记得引擎工作不是有个参数是叫什么来着，貌似是排气速度与进气速度比，一般是2.几好像，当时看dicovery灾难现场里面讲一个空难事故的时候提到的

hemjidn · 发表于 2011-6-18 16:54:11

要形成气流自然要压力，方向就是由高到低，燃烧后气压升高要维持前方进气，进气自然要比燃烧室压力高。涡轮维持这个高压这好像不难理解吧，这就是巧夺天工？

hittiger · 发表于 2011-6-18 18:51:46

回复【8楼】summerstar 夏夜的星空
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没有对此有深入研究，不过认为进气的压力高于出气的压力是因为我讲的那个原理实现的，你要知道在整个空腔中气体是会四处扩散的，会造成进气端压力大，出气端压力小从平衡上要怎么实现呢？不知道你对物理可感兴趣，如果研究物理，很多时候就会吧物理问题等效模型化。有助于理解。再说一个例子，汽车后轮的差速器结构，会不会觉得很巧妙。但是如果你懂得模型等效化，就会把齿轮看做一些杠杆。然后你就会发现其实也没有多么巧妙。另外，你说的应该是没有错，不过不够本质。
你知道脉冲喷气发动机么，低速下可以运行的，你解释一下为啥脉冲发动机进气端需要在燃烧时把进气门关闭？

难道你也是宅男？炮姐头像。
其实感觉你和我是一类人，喜欢对任何未知领域探索。

summerstar · 发表于 2011-6-18 21:11:13

回复【20楼】hittiger 杨乾坤
回复【8楼】summerstar 夏夜的星空
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没有对此有深入研究，不过认为进气的压力高于出气的压力是因为我讲的那个原理实现的，你要知道在整个空腔中气体是会四处扩散的，会造成进气端压力大，出气端压力小从平衡上要怎么实现呢？不知道你对物理可感兴趣，如果研究物理，很多时候就会吧物理问题等效模型化。有助于理解。再说一个例子，汽车后轮的差速器结构，会不会觉得很巧妙。但是如果你懂得模型等效化，就会把齿轮看做一些杠杆。然后你就会发现其实也没有多么巧妙。另外，你说的应该是没有错，不过不够本质。
你知道脉冲喷气发动机么，低速下可以运行的，你解释一下为啥脉冲发动机进气端需要在燃烧时把进气门关闭？
难道你也是宅男？炮姐头像。
其实感觉你和我是一类人，喜欢对任何未知领域......
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呵呵，我也是宅男啊~male。浅度宅+技术宅。

头像见笑了..借炮姐威名而已。。

你说的模型化思想我很赞同！

不过，“进气的压力高于出气的压力是因为我讲的那个原理实现的” 也许你误解了我的意思，我指的“进气”不是“进气道处的压力”，而是被压气机（引擎前端很多级风扇和收缩的通道）压缩过的、“即将进入燃烧室的空气”。这些空气具有了很高的速度（接近音速）和压力（即使引擎是在低速下）。是指这些空气具有“管道口径扩大、流速反而上升”的特性。因此，进入“大肚子”的燃烧室就会减压增速。后面的也就说通了。进气道处的压力也是低压（大气压力）。

涡轮喷气引擎就是只有压气机末端那一小段压力很高，前后端压力都低于中间。

压气机提供的压缩气体是关键，否则一定会倒灌的。脉冲引擎就是没有压气机，燃烧时会倒灌，所以才在燃烧时关闭进气门，让气体只往后喷。

summerstar · 发表于 2011-6-18 21:13:30

回复【18楼】bigallium 10班陈大葱22号
“其次，其实引擎吸、排气的流速是相同的（呵呵，很不可思议吧），这与火箭引擎是不同的。排气口的截面积大于进气口的截面积，流速相同，而流量变大，这正是燃气膨胀所做的功，推力也是由此而来。”
是这样么?我记得引擎工作不是有个参数是叫什么来着，貌似是排气速度与进气速度比，一般是2.几好像，当时看dicovery灾难现场里面讲一个空难事故的时候提到的
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也许是这样。这一点记不太清了。

应该更正为“进、排气压强相等”合理一些

谢谢提醒！

Soul.art · 发表于 2011-6-18 23:48:10

大气 - 涡轮将大气高速吸入，形成高压气体 - 喷油燃烧，高压气体急速膨胀，流量剧增（因为出口大，所以压力不变，流量增加） - 喷出

音频功放就是这原理，说不准就参考功放做的，呵呵~

音频信号 - 电压放大 - 电流放大 - 输出

汽车发动机的涡轮增压也是这原理

谁给125的摩托加过涡轮增压器？估计能改成250的，哈哈

1ongquan · 发表于 2011-6-19 00:31:28

还是V3的原理好理解

xiaowei061 · 发表于 2011-6-19 00:40:16

有意思.

gusigusi · 发表于 2011-6-19 00:41:21

学习一下

up101 · 发表于 2011-6-19 01:02:20

炮姐直接用电磁炮就行了，涡轮什么的真是弱爆了..

hq413 · 发表于 2011-6-19 10:03:51

涡轮发动机的本质跟四冲程发动机类似,都是由吸气-压缩-燃烧-排气组成,只是涡轮发动机的这4个过程是在发动机不同部位同时连续进行的,压气机从进气口吸气并把空气压缩(相当于吸气-压缩冲程),燃烧室里喷燃料燃烧,燃气对涡轮做功带动压气机(燃烧做功的冲程),如果是涡轴发动机,输出功主要是由涡轮轴通过减速机输出的,涡喷发动机则由尾喷管喷出燃气做功.

lanjingjing · 发表于 2011-6-19 10:48:18

楼主是个明白事理的人。来自“帝都。。。。”，嗯，只好研究技术，不可太明白社会之事理，否则会被“huishang”哦-----没有MG词吧？？

XIE2099 · 发表于 2011-6-19 10:54:34

不过现在有业余爱好者，烧钱的项目

summerstar · 发表于 2011-6-19 20:38:45

回复【23楼】Soul.art  单片猪
大气  - 涡轮将大气高速吸入，形成高压气体 - 喷油燃烧，高压气体急速膨胀，流量剧增（因为出口大，所以压力不变，流量增加） - 喷出
音频功放就是这原理，说不准就参考功放做的，呵呵~
音频信号 -    电压放大                   -       电流放大          - 输出

汽车发动机的涡轮增压也是这原理
谁给125的摩托加过涡轮增压器？估计能改成250的，哈哈
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呵呵，同意！简单来说就是这样！！

理解了之后就是这么简洁~

yjamd · 发表于 2011-6-20 09:33:00

谢谢楼主普及了我以前就一直以为是因为前面那个风扇气体才没向前喷的

summerstar · 发表于 2011-6-20 12:19:23

有些朋友似乎混淆了“冲压发动机”和“脉冲发动机”。

请细心的读者注意！这两者是不一样的！

脉冲爆震发动机我想大家应该都了解，就是用前端的簧片对气压的反应控制引擎交替的吸气、爆燃、排气。。这种结构使得它可以在低速前进时工作。不过它工作于特定的谐振状态，输出功率不好调节，且最佳飞行速度是650KM/H左右。

冲压发动机则在原理上类似于涡喷引擎，但利用超音速时进气道处的激波压缩空气，取代压气机。里面是“等压燃烧”的。它必须在接近音速时才能开始工作，但优势是重量轻、速度极高（可达到7~15马赫）。它现在常用于空战格斗时用的空空导_弹、和科研中的高速飞机，必须用火箭引擎或涡轮喷气引擎助推达到额定速度后才能启动。

ssaweee · 发表于 2011-6-20 12:42:55

回复【33楼】summerstar 夏夜的星空
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爆震发动机以前德国在二战时的v2就是用的这个吧，现在也有很多在研究，主要是要提高其效率。随便做个也可以做出来但是效率不高。

冲压发动机分为超音速冲压发动机和亚音速冲压发动机吧。
超音速的压缩后的气体还是超音速的，亚音速的是压缩后是亚音速的气体。
超音速冲压发动机是研究的前沿，材料和结构都很困难，而且要在高空高速的时候启动，DIY没戏的。

Odie · 发表于 2011-7-8 13:54:44

最近流行的“无叶风扇”是不是类似的原理？

1ongquan · 发表于 2011-7-8 22:03:05

回复【34楼】ssaweee
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爆震发动机以前德国在二战时的v2就是用的这个吧，现在也有很多在研究，主要是要提高其效率。随便做个也可以做出来但是效率不高。

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是V1

(原文件名:20110605155020-1555699661.jpg)

【巧夺天工的原理！】讨论！涡轮喷气引擎做功的本质。

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