设为首页收藏本站

爱吱声

 找回密码
 注册
搜索
查看: 3847|回复: 18
打印 上一主题 下一主题

对于新原理高推重比发动机的猜想

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
楼主
 楼主| 发表于 2020-3-20 11:08:01 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
中国抗击新冠刚见成效,列车长就来喜上加囍,用超越F135、推比15来吊人们的胃口。按老话说法,应该拖出去,翻过来打,严刑逼供的。但考虑到全球股市普遍暴跌,打坏了要赔都没钱了,还是不打了。那就猜想吧。  N4 @6 z6 F2 X( T' ]  S+ i+ A

* j+ \6 j2 P3 b5 X9 J& d列车长引述了很多神龙见头不见尾的官话,需要解读,但关键点似乎在于压气机。
3 ?/ ]1 _7 H2 N. w3 S6 P0 J% m; x3 }; @3 J7 x
除了早期单转子结构,涡轮发动机的压气机分高压和低压,风扇常和低压压气机直接相连。为了保证压气机的正常工作,进气道需要把进气气流减速到M0.5左右,在此过程中,气流压力随之增加。亚音速的气流经过压气机压缩后,进入燃烧室在亚音速条件下燃烧,然后流经涡轮,部分能量做功和驱动压气机,其余能量进入喷管,通过喷管形成推力。战斗机发动机的主要能量通过喷管喷出直接形成推力,民航客机发动机的主要能量用于驱动风扇形成推力,此外还是很相似的。6 K2 u9 w( K$ O' p1 w
: k! I+ K& w, f+ J
发动机的推力最终来自于燃烧,但各部分都对推力的形成都有贡献。以“协和”式为例,在M2巡航状态下,喷管提供29%的推力,燃烧室只提供8%的动力,但进气道却提供了63%的动力。这似乎不符合常理,但想明白了并不奇怪。
! T; k9 w7 H. @* O# M1 D( y% T  z" q: ]8 Q& w/ x, D
推力是力。牛顿老爷子早就说过了,F=ma。也就是说,在质量一定的情况下,加速度越大,推力越大。另一方面,推力也可看做从前向后的压力。
5 @) ~" P( h6 W3 T9 u1 b+ _9 j- z. g, v9 f6 k
理想涡轮发动机的燃烧是常压燃烧。燃烧加热空气,导致膨胀,这没错。但要增加压力,需要在密闭环境里才行。在开放的环境里,受热膨胀的空气形成流动,但不形成压力。实际燃烧室并不是完全开放的,需要从前向后的压力差才能保证正常流动,所以并非理想的常压燃烧,但还是可以用常压燃烧来近似的。
3 I+ G4 c/ v& W# E8 m- Y# D% C6 i8 ]9 X3 T  s* t. R
高低压压气机当然是对气流增压的,这是发动机推力的主要来源。但喷口对推力的贡献更大,喷口不只是用来对喷气流进行导向的。在亚音速流动条件下,流道收缩导致流速增加,河流经过峡谷的时候流速更快,这是常识。但在超音速流动条件下,由于流体的压力波传递以音速为极限,流道收缩反而形成拥塞,开放才能使得流动加速,好像穿过山口的羊群才能撒欢加速奔跑一样。所以,超音速飞机的发动机都必须采用收敛-扩散喷口,首先在收敛段将亚音速的燃气流加速到音速,然后在扩散段进一步加速到超音速,形成推力。% }$ U" Z# M- G9 i7 F1 ~
5 u0 g/ C! P' j* Y
但进气道的作用比较特别。进气道的首要作用是对进气气流减速增压,还要整流和理顺流场。进气口的作用是形成激波,使得穿越过激波的超音速进气气流像通过筛子那样减速到亚音速。当然,激波也不能简单理解为筛子,因为正激波的阻力比斜激波更大,这是和筛子相反的。- ~% d2 T. Q7 N  J
$ ], y3 B& Z4 k1 k# m0 I5 C7 B
像门板一样垂直于进气气流的叫正激波,减速效果最好,阻力也最大,F-16那样的皮托管进气口就是正激波型,这一般是不可调的。与进气气流成一定角度的则是斜激波,角度越大,阻力越小,但减速效果也越低。可以用多道斜激波,相继从大角度过渡到正激波,逐级减速,而且可根据飞行速度和大气条件调节,最优配置多道激波的角度和位置,以降低阻力,既降低在进气口的激波与唇口之间的“漏气”,又避免激波扫过进气道内壁结构造成损坏,这就是所谓的二激波系、三激波系甚至四激波系,大多是可调的,F-15和苏-27那样的锲形进气口就是多激波型。F-22那样的加莱特进气口是扭转的3D多激波型,不过为了隐身,是不可调的。F-35和歼-20那样的蚌壳进气口相当于圆滑过渡的无穷多激波系。不同的进气口都产生阻力,只是阻力大小的差别。
" z) |! P) F0 M  Q" G, S2 s7 D# d
4 X% }# k- a& S进入进气口后,就是扩散段。在这里进气气流像穿出峡谷的河流突然进入宽阔段,但前面被石壁挡住了,流速下降,压力增加。这是“协和”式63%的推力的来源。事实上,“协和”式的进气道扩散段产生75%的推力,但进气口的阻力抵消掉其中的12%,使得进气道全系统的推力贡献下降到63%。6 M6 {" n: g4 A5 c
3 m1 S  K5 R* Y& I% m$ [
“协和”式的进气道-发动机-喷口的推力贡献分布当然不是放之四海而皆准的,不同的飞机在不同的速度下会有不同的推力分布,但减速再加速带来的阻力最终使得涡轮发动机难以超过M3.5的速度极限。冲压发动机的极限更高,但超过M4.5-5以后,也阻力急剧增加,难以进一步提高速度了。瓶颈在于燃烧室的亚音速燃烧要求。如果能实现超音速燃烧,可以大大减小进气道阻力,大大解放推力,或者等效地说,获得更高的推重比。
) H0 l0 q8 a& T6 q2 Q
; A7 q6 U$ d' ~8 w超音速燃烧也是超燃冲压的关键技术,超燃冲压本来就是具有超音速燃烧室的冲压发动机。中国在超燃冲压方面世界领先。具体技术是保密的,但可以想象,这将突破常规的等压燃烧。
5 B# ~# R' _4 M3 N: _& q
3 a. ^5 G! V& M8 v8 [: B2 ~& v1 R在常规的等压燃烧条件下,空气膨胀的压力波传递速度以音速为极限,达到音速的压力波就是激波,所以等压燃烧的燃烧速度和空气膨胀速度都在音速以下。如果燃烧速度高于音速,空气就受到压力波传递速度的限制而无法“及时”膨胀,等于被燃烧形成的激波围进密封环境了,燃烧的热量造成的空气膨胀将导致压力升高,最终导致爆炸。事实上,在通常条件下的超音速燃烧就是爆炸,爆炸气浪就是激波。3 r- l1 ~+ m1 H

0 A: M2 O, \8 g5 |# t但在超音速燃烧室里,压力波受到超音速气流的牵引,是可能超过音速的,是可能与超音速燃烧共存而形成超音速的等压燃烧的,关键是燃烧速度需要精确控制。燃烧速度过快,要形成爆炸;燃烧速度过慢,压力波就“泄气”了,严重的话会熄火。亚音速燃烧时,燃烧速度有所波动导致压力波传递速度的自然波动,好像吹气与气球大小的关系一样,问题不大;但超音速燃烧时,压力波的传递速度是由气流速度决定的,并不能自由波动,控制不好就要熄火或者爆炸了。列车长提到的火焰稳定边界预测模型的精度从国际先进水平的正负30%提高到正负7%,就是精确燃烧控制的基础。在这方面,超燃冲压与超燃涡轮是相通的。有可能新原理发动机的超音速燃烧室技术是从超燃冲压那里借用的,所以没有列入主要成就,但超音速压气机就是主要成就了。, k: n( U! N0 L+ K- v: G
  I& i+ K( ~* @6 N
压气机可以看成多级电风扇,旋转叶片形成的盘面是一个圆盘形,与进气气流垂直。这也是进气道必须把气流流速降低到M0.5的关键。不能把压气机提高到超音速,光有超音速燃烧室是没用的。, }: r! i% l2 `$ ~# F4 I' d$ D
$ S, l2 Y; M6 t' g
压气机叶片可以看成电风扇叶片,通常是狭长的矩形,平直的顶端与机匣的间隙既要小到避免后级(较高压力)向前级(较低压力)的回流,又要避免机械振动和热胀冷缩导致刮蹭,精度要求很高。另一方面,越是接近叶尖,线速度越高,压缩效率也越高,但不能超过音速,否则形成的激波会损坏机匣。简单的矩形有利于降低热力学和流体力学问题的难度,也便于制造。
( y3 A/ |! m" s" E! ?. J# M
) F9 m- @/ X3 ^飞机机翼在战后从平直翼演变为后掠翼,后掠角对推迟激波产生的作用人们早已熟知。问题是压气机叶片的气流不仅有从前往后的流动,还有绕轴的旋转流动,所以是螺旋形流动,十分复杂。但绕轴流动实际上是无用功,这也是轴流式压气机的效率低于离心式(可以想象成海螺壳一样的结构,用离心力把气流从螺口“甩”出去)的原因。轴流式的优点是流量大,不过离心式还是用于小推力涡轮发动机和直升机使用的涡轴发动机,“黑鹰”的通用电气T700还用离心式压气机串接简单的单转子轴流式压气机,达到很好的效果,40年后再次用于T901,但这是题外话了。后掠叶片的好处显而易见,这也是超音速压气机的必需,但流动更加复杂了,所以常见的发动机到现在还只是用带弯度的叶尖和前缘,主体依然是平直的,有点像Me262的机翼一样,介于平直翼和后掠翼之间。
0 V& O+ H( ?0 X8 O' F
% W+ G/ y# o4 q! }但超音速压气机需要后掠叶片。不仅叶片要后掠,盘面也要后掠,使得原来圆盘形的叶片平面成为伞形。这使得热力学和流体力学问题高度复杂。可巧,据说有关文献在谈到新原理发动机的时候,也提到了3D流动,应该就是管这事的。
! v( K1 E( R. `# F4 f( m* j. X3 I1 q( P
如果实现,超音速压气机和超音速燃烧室可以大大降低超音速飞行时的进气道-发动机阻力,可以等效为提高推力,或者提高推重比。或许这正是高达15的推重比的奥秘所在。
/ R, k( K" @  o' b' j
1 |9 b1 x4 X0 K$ [4 D6 s新原理发动机还用上了对转涡轮。高低压涡轮对转的话,可以取消高低压涡轮之间的静子。静子就是多级压缩机或者涡轮的级间的固定导流片,把被涡轮或者压气机搅动得螺旋形运动的气流理顺、掰直了,否则一级一级拧过去,几级之后主要能量都消耗在绕轴转动了,就没有多少可以用于前后方向的流动了。如果高低压涡轮是顺向转动的,高低压涡轮之间也需要静子,高低压压气机也是一样。: m; P( w- e* H

& x9 X" x7 I5 z, R2 N1 k对转的高低压涡轮导致对转的高低压压气机,省却了前后各一道静子,降低了阻力和重量,但机械上要求高得多,精密度、轴的刚度、润滑都是巨大的挑战,这是现代发动机的王冠级技术之一。不过对转不能免除级间静子。现代战斗机涡扇发动机的高低压涡轮大多各一级了,但只有F-22的F119和F-35的F135是已知采用对转涡轮的。尽管如此, F119的三级低压压气机(包含风扇)和6级高压压气机的级间还是有静子的,F135也一样。* q" t; V) P: v) i
1 E8 L0 x% }; e+ r6 U$ a* w. n
另一个问题是后掠叶片的制造。后掠翼的好处在30年代就知道了,但材料、设计和制造技术跟不上,直到50年代初才开始普及。苏联的米格-15抢先使用后掠翼,第一代入朝作战的美国喷气战斗机都还是平直翼,吃了不少亏,直到后掠翼的F-86入朝才扳回一局。但发动机叶片的工作环境比机翼要严苛得多,后掠加上伞面使得超音速压气机的设计和制造高度复杂,材料要求空前之高,这也是新原理发动机的技术验证机需要通过实践来理清的问题。3 r9 b/ v2 x2 }! @  p& c4 b

; S, s% S7 _' J! L9 K- y还有,后掠翼对超音速飞行有利,但中低速飞行的气动效率不及平直翼,后掠叶片也会有同样的问题。在初期,可能需要限制在一路高速的应用场合,这就是超音速巡航导弹和无人机的用武之地了。列车长提到,新原理发动机是列在“先进轻型动力技术”的名下,可能成为小型高性能发动机的基础,从超音速巡航导弹开始,以后才扩大到更加注重宽速域的高机动战斗机,可能正是这样的用意。小尺寸也降低了难度。- c% n. O; d. i/ {/ N
% a1 q! D: C& V! t8 J8 R3 X
列车长爆了那么多好料,看来不仅不该打,还该奖励呢!应该奖励什么呢?
& e( T- {3 q- N$ \+ y+ |( W0 M

评分

参与人数 7爱元 +42 收起 理由
MacArthur + 6
Pipilu + 6
leekai + 8 伙呆了
机器猫 + 4 涨姿势
常挨揍 + 10

查看全部评分

本帖被以下淘专辑推荐:

  • TA的每日心情
    开心
    前天 06:08
  • 签到天数: 2442 天

    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-3-20 11:35:24 | 只看该作者
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情

    2020-11-20 06:24
  • 签到天数: 1618 天

    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-3-20 11:43:35 | 只看该作者
    奖励N97口罩一千枚如何?
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    奋斗
    2025-5-3 21:39
  • 签到天数: 309 天

    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-3-20 11:50:12 | 只看该作者
    又是俺的字都认识系列。

    点评

    油墨: 5.0 给力: 5.0
    油墨: 5 给力: 5
      发表于 2020-3-20 12:02
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2024-12-25 19:50
  • 签到天数: 4 天

    [LV.2]筑基

    5#
    发表于 2020-3-20 12:04:28 | 只看该作者
    网络搜出一个惊喜:
      ?4 n9 S; X# A& V+ b, }3 B5 Q: L, v中国10年后有望研新原理航空发动机推重比15 - 空军论坛- 铁血社区 - 铁 ...bbs.tiexue.net › 铁血军事论坛 › 空军论坛! ]5 c& s  k& e+ b
    Translate this page
    ) P8 q. x3 H' S1 G/ X4 i" ~8 tJun 21, 2013 - 101 posts - ‎85 authors$ r' K' x9 D4 z" v- K- V2 P) Z5 h- `
    https://bbs.tiexue.net/post_6849269_1.html: M, @6 ?* y, ~2 i2 M1 S4 U' m, I
    中国10年后有望研新原理航空发动机 推重比15
    6 f7 N( O3 x, `- T原子小熊2013/6/21 9:39:580 A8 p3 p4 v; N. F! |
    由中科院院长白春礼院士领衔、200多位专家历时1年多深入研究推出的《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》研究报告20日下午在北京发布。该报告预计未来10年中国可能发生19项重大科技突破,其中之一就是“新原理航空发动机样机将有望研制成功”。# I9 C( W+ w3 ~) T' l. U

    点评

    给力: 5.0 这真是极好的: 5.0
    涨姿势: 5.0
    给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-3-21 08:25
    给力: 5 这真是极好的: 5
      发表于 2020-3-20 12:17
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2020-3-20 12:17:12 | 只看该作者
    燕庐敕 发表于 2020-3-19 21:43
    ( Q5 P( ~" ]( d: t0 s5 A% \  Q1 p奖励N97口罩一千枚如何?

    # O( @- r+ [( z" \( |4 `1 x9 u哈,他在上海,口罩大概已经囤了好多了。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-3-8 17:23
  • 签到天数: 94 天

    [LV.6]出窍

    7#
    发表于 2020-3-20 18:59:11 | 只看该作者
    推测是否和DF17乘波体发动机同源
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2021-2-12 21:15
  • 签到天数: 584 天

    [LV.9]渡劫

    8#
    发表于 2020-3-20 19:38:00 | 只看该作者
    smileREGENT 发表于 2020-3-20 11:50
    " L4 q" |. C' b/ p+ K! t又是俺的字都认识系列。
    ' L& o9 ?' \2 @( L2 w& M" d
    同学啊
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2021-2-12 21:15
  • 签到天数: 584 天

    [LV.9]渡劫

    9#
    发表于 2020-3-20 19:40:09 | 只看该作者
    本帖最后由 liuqing098 于 2020-3-20 19:44 编辑 2 ~. ]; I2 ^- W2 k; v( Y' [! |0 W

    $ `6 D/ y2 I$ H列车长是席亚洲吗?本文是针对列车长哪篇文章阐述的啊?
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    奋斗
    2023-1-1 00:24
  • 签到天数: 1033 天

    [LV.10]大乘

    10#
    发表于 2020-3-20 19:51:04 | 只看该作者
    4 O6 Z* ]( r. i( m7 e* Q  _

    3 `  b* X  B" n7 ]# e字都认识系列。 同问列车长的梗
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    慵懒
    2018-6-2 22:44
  • 签到天数: 16 天

    [LV.4]金丹

    11#
    发表于 2020-3-20 20:35:38 | 只看该作者
    呵呵
    回复

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    12#
     楼主| 发表于 2020-3-20 22:11:28 | 只看该作者
    colin1992 发表于 2020-3-20 04:59
    4 U5 V" t. [7 s. `推测是否和DF17乘波体发动机同源

    ) p! A/ c: Y; ^. B4 @两回事。DF-17是助推-滑翔,后面根本没有发动机。这发动机可能到不了高超,但3.5应该是可以的
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    13#
     楼主| 发表于 2020-3-20 22:15:08 | 只看该作者
    liuqing098 发表于 2020-3-20 05:40+ n9 _7 ]+ c4 _! W* o$ w
    列车长是席亚洲吗?本文是针对列车长哪篇文章阐述的啊?

    : [6 f+ u* W* @4 _8 }  k是的,他自称亚洲总火车站列车长,大家也就都叫他列车长了,或者席胖子。奖励的梗是:他总是对台湾“文攻武吓”,就有人说要台湾派女特务来堵他的嘴。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2021-2-12 21:15
  • 签到天数: 584 天

    [LV.9]渡劫

    14#
    发表于 2020-3-20 22:20:12 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2020-3-20 22:15
      e  c$ V+ v. x0 A, E是的,他自称亚洲总火车站列车长,大家也就都叫他列车长了,或者席胖子。奖励的梗是:他总是对台湾“文攻 ...
    $ K5 K& |' r3 n, k
    哈哈哈,谢谢啦!知道席胖子,不知道列车长
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    郁闷
    2024-11-9 11:44
  • 签到天数: 2166 天

    [LV.Master]无

    15#
    发表于 2020-3-20 22:52:24 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2020-3-20 22:15
    3 L; T2 D/ [6 o* R4 v是的,他自称亚洲总火车站列车长,大家也就都叫他列车长了,或者席胖子。奖励的梗是:他总是对台湾“文攻 ...
    * e4 ~& t2 `4 Y9 e2 a
    上次的那个女姐姐,还是算了吧

    点评

    不能同意更多: 5.0
    不能同意更多: 5
      发表于 2020-3-20 23:02
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    手机版|小黑屋|Archiver|网站错误报告|爱吱声   

    GMT+8, 2025-9-19 13:16 , Processed in 0.048094 second(s), 26 queries , Gzip On.

    Powered by Discuz! X3.2

    © 2001-2013 Comsenz Inc.

    快速回复 返回顶部 返回列表