엔진의 추진 효율은 그것의 비행 속도에 크게 달려 있다. 비행기의 속도가 약 450 마일/시간 (724km/시간) 미만이면 순수 제트 엔진의 효율이 프로펠러 엔진보다 낮다. 프로펠러의 높은 잎 끝 속도로 인한 기류 교란으로 프로펠러의 효율성이 시간당 350 마일 (563km/HR) 이상 빠르게 떨어졌다. 따라서 순수 터보 제트 엔진은 더 높은 비행 속도에 가장 적합합니다. 이러한 특징으로 인해 일부 중속 비행 항공기는 프로펠러와 가스 터빈 엔진의 조합인 소용돌이 엔진을 사용하여 단순한 터빈 제트 장치가 아닌 소용돌이 엔진을 사용합니다.
효율을 추진하다
마하수가 ma 일 때
각 엔진에는 최적의 비행 가방 라인 (속도 x/ 높이 Y 로 구성된 xy 좌표계) 이 있습니다. 즉, 터보 팬 엔진이 터보 제트 엔진보다 반드시 연비가 절약된다는 의미는 아닙니다. 초음속 때, 같은 힘을 가한 터보 팬 엔진은 터보 제트 엔진보다 기름 소모가 더 높다.
조절식 공기 흡입구
터빈 펀치 엔진은 터보 제트 엔진 (마하수 3 이하의 다양한 회전 속도에 자주 사용됨) 과 펀치 엔진을 결합하여 높은 마하수 하에서 좋은 성능을 제공합니다. 엔진은 도관으로 둘러싸여 있고, 앞쪽에는 조절식 흡입구가 있고, 뒤쪽에는 조절식 노즐이 있는 가력 연소실이 있다. 이륙이 가속화될 때, 그리고 마하수 3 의 비행 조건 하에서 엔진은 기존의 터보 제트 엔진의 작동 모드를 채택한다. 비행기가 마하수 3 이상으로 가속되었을 때, 그 터빈 제트 기구가 닫히고, 공기 중의 공기가 도엽의 도움으로 압축기를 우회하여 바로 가력 연소실로 유입되어 펀치 엔진의 연소실이 되었다. 이런 엔진은 고속 비행을 요구하고 고마하수 순항 상태를 유지해야 하는 비행기에 적용된다. 이러한 조건 하에서 엔진은 펀치 엔진으로 작동한다.
터빈 로켓 엔진
터빈/로켓 엔진은 터빈/펀치 엔진과 구조적으로 유사하며, 중요한 차이점은 자체 연소용 산소가 있다는 것입니다. 이 엔진에는 다단 터빈에 의해 구동되는 저압 압축기가 있는데, 터빈을 구동하는 동력은 로켓 연소실에서 연료와 액체 산소를 연소하여 발생한다. 가스 온도가 최대 3500 도까지 올라갈 수 있기 때문에 가스가 터빈에 들어가기 전에 연소실에 추가 연료를 주입하여 냉각해야 한다. 그런 다음 이 기름이 풍부한 혼합물 (가스) 은 압축기의 공기에 의해 희석되고 나머지 연료는 기존의 가력 연소실 시스템에서 연소된다. 이런 엔진은 터빈/펀치 엔진보다 작고 가볍지만 연료 소비가 더 많다. 이러한 추세는 그것을 요격기나 우주선 운반 로켓에 더 적합하게 한다. 이 비행기들은 고공 고속 성능을 요구하며, 일반적으로 높은 가속 성능이 필요하며, 긴 항속 시간이 필요하지 않다.
작동 방식 편집 이 단락
현대 터보 제트 엔진의 구조는 입구, 압축기, 연소실, 터빈, 노즐로 구성되며 전투기의 터빈과 노즐 사이에는 가력 연소실이 있다. 터보 제트 엔진은 여전히 열 엔진 중 하나이며 열 엔진의 작동 원리 (고압 입력 에너지, 저압 방출 에너지) 를 따라야합니다. 따라서 출력 에너지를 생산하는 원리에서 제트 엔진과 피스톤 엔진은 동일하며 흡기, 증압, 연소, 배기 4 단계가 필요합니다. 차이점은 피스톤 엔진에서 이 네 단계는 시분할 순차적으로 진행되며 제트 엔진에서는 연속적이라는 것입니다. 가스는 피스톤 엔진의 네 가지 작동 위치에 해당하는 제트 엔진의 각 부분을 차례로 통과합니다.
공기가 먼저 엔진의 공기 흡입구로 들어간다. 비행기가 비행할 때 비행 속도로 엔진으로 흐르는 기류로 볼 수 있다. 비행기의 비행 속도가 변하고 압축기의 유입 속도가 일정 범위 내에 있기 때문에 입구의 역할은 조절 가능한 파이프를 통해 미래의 흐름을 적절한 속도로 조절하는 것이다. 초음속 비행 시 입구 앞과 내부의 기류 속도가 아음속으로 낮아졌는데, 이때 기류의 정체로 인해 압력이 10 배, 심지어 수십 배, 압축기 내 증압배수를 크게 초과할 수 있어 속도펀치에만 의존해도 압축기가 없는 펀치 엔진이 생겨났다.
공기 흡입구 뒤의 압축기는 공기 흐름의 압력을 높이기 위해 특별히 사용된다. 공기 흐름이 압축기를 통과할 때 압축기의 작동 블레이드가 공기 흐름에 작용하여 공기 흐름의 압력과 온도가 증가합니다. 아음속 때 압축기는 기류 증압의 주요 부품이다.
연소실에서 흘러나오는 고온고압가스는 압축기와 같은 축에 설치된 터빈을 통과한다. 일부 가스는 터빈에서 팽창하여 기계 에너지로 변환하여 압축기를 회전시킬 수 있다. 터보 제트 엔진에서 균형 상태에서 터빈 내 기류 팽창이 수행하는 작업은 압축기 압축 공기가 소비하는 작업과 전동 액세서리가 마찰을 극복하는 데 필요한 작업과 같습니다. 연소 후 터빈 전 가스의 에너지가 크게 증가하기 때문에 터빈의 팽창비는 압축기의 압축비보다 훨씬 크다. 터빈 출구의 압력과 온도는 압축기 수입의 압력과 온도보다 훨씬 높으며, 엔진의 추력은 이 부분의 기체 에너지에서 비롯된다.
터빈에서 흘러나오는 고온 고압 가스는 테일 노즐에서 계속 팽창하여 엔진 축을 따라 고속으로 노즐에서 뒤로 배출됩니다. 이 속도는 기류가 엔진에 들어가는 속도보다 훨씬 빨라서 엔진이 반작용 추력을 얻을 수 있게 한다.
일반적으로 공기 흐름이 연소실에서 나올 때 온도가 높을수록 입력 에너지가 커질수록 엔진의 추력도 커진다. 그러나 터빈 재질의 제한으로 1650K K 정도까지만 도달할 수 있기 때문에 현대 전투기는 짧은 시간 내에 추진력을 늘려야 하는 경우가 있다. 터빈 뒤에 가력 연소실을 추가하여 연료를 분사하면 연소되지 않은 가스가 분사된 연료와 혼합되어 다시 연소할 수 있다. 가력 연소실에는 회전 부품이 없어 온도가 2000K 에 이를 수 있어 엔진의 추력을 1.5 배 정도 높일 수 있다. 그것의 단점은 연료 소비가 급격히 증가하는 동시에 온도가 너무 높아서 엔진의 수명에도 영향을 미친다는 것이다. 따라서 엔진의 가력은 일반적으로 제한되어 있으며, 저고도는 10 여 초밖에 안 되며, 이륙이나 작전에 많이 사용되며, 고공은 오랫동안 운전할 수 있다.
이 발전 역사를 편집하다
전쟁 필요
제 2 차 세계대전 전에 모든 비행기는 피스톤 엔진을 동력으로 사용했다. 이 엔진 자체는 전진 동력을 생성할 수 없으며, 프로펠러를 구동하여 공중에서 회전시켜 비행기의 전진을 추진해야 한다. 피스톤 엔진과 프로펠러의 이런 조합은 줄곧 비행기의 고정적인 추진 방식이어서 의문을 제기하는 사람이 거의 없다.
1930 년대 말, 특히 제 2 차 세계대전 시대에는 전쟁의 수요로 비행기의 성능이 빠르게 발전하여 비행 속도가 700-800 km/h 에 달하고 고도는1000m 이상에 달했다. 그러나, 엔지니어들이 엔진 동력을 1000 킬로와트에서 2000 킬로와트, 심지어 30,000 미터로 높임에도 불구하고 프로펠러 비행기가 한계에 도달한 것 같다는 사실이 갑자기 밝혀졌다.
문제의 답안
문제는 프로펠러에 있습니다. 비행기가 시속 800 킬로미터에 달할 때 프로펠러 끝은 계속 고속으로 회전하기 때문에 실제로는 음속에 가까워졌다. 이런 음속 유류장의 직접적인 결과는 프로펠러 효율이 급격히 떨어지고 추력이 떨어지는 것이다. 동시에 프로펠러는 바람이 부는 면적이 커서 저항이 더 크다. 그리고 비행 고도가 높아지면서 대기층이 얇아지면서 피스톤 엔진의 전력도 급격히 떨어진다. 이러한 요소들의 종합에 따라 피스톤 엔진+프로펠러의 추진 패턴이 이미 끝이 났다. 비행 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 새로운 추진 방식을 채택해야 하며, 제트 엔진이 생겨났다.
제트 추진의 원리는 모두 잘 알고 있다. 뉴턴의 제 3 법칙에 따르면 물체에 작용하는 모든 힘은 크기가 같은 방향의 반대 반작용력을 가지고 있다. 제트 엔진이 작동할 때, 전면에서 대량의 공기를 들이마시고, 연소 후 고속으로 분출한다. 이 과정에서 엔진은 기체에 힘을 가해 뒤로 가속시키고, 기체도 엔진에 반작용력을 주어 비행기의 전진을 촉진한다. 사실, 이 원리는 이미 오랫동안 실천에 적용되었다. 우리가 노는 폭죽은 꼬리에서 뿜어져 나오는 화약 가스의 반응으로 하늘로 날아올랐다.
돌파
일찍이 19 13 년 동안 프랑스 엔지니어 렌 롤랜드는 제트 엔진 특허를 받았습니다. 이것은 스탬핑 엔진으로 당시의 저속도에서 일할 수 없었고, 필요한 고온 내열 재료도 부족했다. 1930 년 프랭크 휘틀은 가스 터빈 엔진을 사용하는 최초의 특허를 받았지만 1 1 년 후에야 그의 엔진이 첫 비행을 마쳤다. 이런 엔진은 휘틀에서 현대 터빈 제트 엔진의 기초를 형성했다.
진보
항공 가스 터빈 기술이 발달하면서 터보 제트 엔진에 따라 가압 기술에 따라 펀치 엔진, 펄스 엔진 등 다양한 제트 엔진이 개발되었습니다. 출력 에너지에 따라 터보 팬 엔진, 소용돌이 엔진, 소용돌이 샤프트 엔진 및 프로펠러 팬 엔진이 있습니다.
제트 엔진은 저속에서 피스톤 엔진보다 연료 소비가 높지만, 뛰어난 고속 성능으로 후자를 빠르게 교체하여 항공 엔진의 주류가 되었다.
관련 구조에 대해 이 섹션을 편집합니다.
공기 흡입구
축류 터빈 제트 엔진의 주요 구조는 그림과 같습니다. 공기가 먼저 입구로 들어간다. 비행기의 비행 상태가 변하기 때문에 입구는 공기가 결국 다음 구조인 압축기로 순조롭게 들어갈 수 있도록 보장해야 한다. 공기 흡입구의 주요 역할은 공기를 엔진이 정상적으로 작동할 수 있는 상태로 조절한 후 압축기에 들어가는 것이다. 초음속 비행에서는 기수와 입구가 모두 급파를 일으키고, 급파를 통과하면 기압이 증가하기 때문에, 진입로는 어느 정도 사전 압축 작용을 할 수 있지만, 급파 위치가 부적절하면 국부 압력이 고르지 않게 될 수 있으며, 심지어 압축기를 손상시킬 수도 있다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 그래서 초음속 비행기의 공기 흡입구에는 급파 조절 원추가 있어 공속도에 따라 급파의 위치를 조절한다.
양쪽에서 흡입기나 기복흡기가 있는 비행기는 흡입구가 기체에 접근하면 기체 경계층 (또는 경계층) 의 영향을 받아 경계층 조절 장치가 설치된다. 경계층이란 기체 표면에 가까운 공기 층을 가리킨다. 속도는 주변 공기보다 훨씬 낮지만 정압은 주변 공기보다 높아 압력 그라데이션을 형성합니다. 에너지가 낮아 엔진에 들어가기에 적합하지 않아 도태가 필요하다. 항공기에 특정 공격 각 (AOA) 이 있을 때 압력 그라데이션의 변화로 인해 압력 그라데이션이 증가하는 부분 (예: 바람막이와 같은 부분) 에서 경계층 분리가 발생합니다. 즉, 원래 기체에 밀착되었던 경계층이 어느 지점에서 갑자기 분리되어 난기류를 형성합니다. 터뷸런스는 층류를 기준으로 하며, 층류는 간단하게 불규칙하게 움직이는 유체이다. 엄밀히 말하면, 모든 흐름은 난류이다. 난류의 메커니즘과 과정의 시뮬레이션은 아직 명확하지 않다. 그렇다고 난류가 나쁘다는 뜻은 아니다. 엔진의 여러 곳에서, 예를 들면 연소 과정에서 난류를 충분히 이용해야 한다.
압축기
압축기는 고정자 블레이드와 회 전자 블레이드로 구성됩니다. 한 쌍의 고정자 블레이드와 회 전자 블레이드를 첫 번째 단계라고합니다. 정자는 엔진 랙에 고정되어 있고 회전자는 회전자 축을 통해 터빈과 연결되어 있다. 현역 터보 제트 엔진은 보통 8- 12 압축기입니다. 단계가 많을수록 스트레스가 커진다. 전투기가 갑자기 높은 G 기동을 하면 압축기 앞 급으로 유입되는 공기압력이 급격히 떨어지고 후급의 압력이 높아질 것이다. 이때 후급의 고압 공기가 거꾸로 팽창하고 엔진이 매우 불안정하여 공사에서' 서지' 라고 부른다. 이것은 엔진에서 가장 치명적인 사고로, 가동 중지 시간과 심지어 구조적 손상을 초래할 가능성이 높다. "서지" 를 방지하는 몇 가지 방법이 있습니다. 경험에 따르면 서지는 압축기의 5 급과 6 급 사이에 많이 발생하며, 두 번째 구간에 방기 링을 설치하고, 압력이 이상할 때 제때에 압력을 방출하여 서지를 피한다. 또는 회전자 축을 두 개의 동심 빈 원통으로 만들어 각각 전면 저압 압축기와 터빈, 후면 고압 압축기와 다른 터빈을 연결합니다. 두 회전자 그룹은 서로 독립적이며, 압력이 이상할 때 회전 속도를 자동으로 조절하거나 서지를 피할 수 있다.
연소실과 터빈
공기는 압축기를 통해 압축한 후 연소실로 들어가 등유와 섞어서 연소하여 팽창하여 일을 한다. 그런 다음 터빈을 통해 터빈을 고속으로 회전합니다. 터빈과 압축기 로터가 같은 축에 연결되어 있기 때문에 압축기와 터빈의 회전 속도는 같다. 마지막으로 고온의 고속 가스가 노즐을 통해 분출되어 반응을 통해 동력을 공급한다. 처음에는 연소실이 몇 개의 작은 원통형 연소실이었는데, 회전자 축을 중심으로 원형으로 나란히 놓여 있었다. 각 실린더는 밀봉되지 않고 적절한 곳에 구멍을 열어 연소실 전체가 연결되도록 했다. 나중에 컴팩트한 환형 연소실로 발전했지만 전체 유체 환경은 원통형 연소실만큼 좋지 않아 두 가지 장점을 결합한 조합식 연소실이 나타났다.
터빈은 항상 극단적인 조건 하에서 일하며, 그 재료와 제조 기술에 대해 매우 엄격한 요구를 가지고 있다. 분말 야금 중공 블레이드, 전체 주조, 즉 모든 블레이드와 원반을 한 번에 주조하여 성형한다. 각 블레이드와 디스크는 초기에 비해 개별적으로 주조한 다음 장부 모양으로 연결하여 연결 품질을 많이 절약할 수 있습니다. 제조 재료는 대부분 고온에 견디는 합금 소재로, 속이 빈 블레이드는 찬바람으로 냉각할 수 있다. 제 4 세대 전투기를 위해 개발된 신형 엔진에는 고온 성능이 더욱 뛰어난 세라믹 분말 야금 블레이드가 장착된다. 이러한 조치는 터빈 제트 엔진의 가장 중요한 매개변수 중 하나인 터빈 전 온도를 개선하기 위한 것이다. 높은 사전 소용돌이 온도는 고효율과 고전력을 의미한다.
스프레이 튜브
노즐 (또는 노즐) 의 모양과 구조에 따라 최종 제거된 공기 흐름 상태가 결정됩니다. 초기의 저속 엔진은 간단한 수렴 노즐을 사용하여 속도를 높이는 목적을 달성했다. 뉴턴의 제 3 법칙에 따르면, 가스 방출 속도가 클수록 항공기가 얻는 반작용력이 커진다. 그러나 이 방식의 성장 속도는 한계가 있다. 최종 기류 속도가 음속에 이르고 급파가 나타나 기체 속도의 증가를 막기 때문이다. 초음속 제트는 수축-확장 노즐 (라발 노즐이라고도 함) 을 사용하여 얻을 수 있습니다. 비행기의 기동성은 주로 날개면이 제공하는 공기동력에서 비롯되며 기동성이 높을 때 제트의 추진력을 직접 이용할 수 있다. 역사적으로 두 가지 방안이 있습니다. 즉, 노즐에 가스 제어면을 설치하거나 실제 적용 단계에 들어간 편향 노즐 (추력 벡터 노즐 또는 벡터 추력 노즐이라고도 함) 을 직접 사용하는 것입니다. 러시아의 유명한 수 -30 과 수 -37 전투기의 뛰어난 기동 성능은 루리카 설계국의 AL-3 1 추력 벡터 엔진 덕분이다. 기타 대표는 미국의 X-3 1 기술 검증기입니다.
제트 엔진 등의 재연 장치
고온기체가 터빈을 통과한 후에도 제때에 소모되지 않은 산소가 함유되어 있다. 만약 이 가스에 등유를 계속 주입한다면, 그것은 여전히 연소되어 추가적인 추진력을 생산할 수 있다. 따라서 일부 고성능 전투기의 엔진은 터빈 뒤에 가력 연소실 (또는 가력 연소실) 을 추가하여 단시간 내에 엔진 추력을 대폭 높이는 목적을 달성했다. 일반적으로 가력은 단시간 내에 최대 추력을 50% 증가시킬 수 있지만, 연료 소비량은 놀라울 정도로 이륙이나 치열한 공전에만 사용되며, 장시간 초음속 순항에는 사용할 수 없다.
이 섹션을 편집하여 기본 매개변수를 가져옵니다
추중비: 엔진 추진력과 엔진 자체의 무게의 비율을 나타내는 추중비. 추력이 클수록 성능이 향상됩니다.
압축기 레벨: 압축기 블레이드의 레벨 수를 나타냅니다. 일반적으로 단계가 클수록 압축비가 커집니다.
터빈 등급: 터빈의 터빈 블레이드는 몇 단계입니까?
압축비: 압축기에 의해 압축된 흡기 압력의 압축 전 압력에 대한 비율입니다. 보통 스트레스가 많을수록 표현이 좋다.
해수면 최대 순 추력: 해수면과 조건 하에서 엔진이 외부 공기와의 속도 차이 (공속) 가 0 일 때 엔진이 전속력으로 작동하는 추력. 사용된 단위는 kN (킬로뉴턴), kg (킬로그램) 및 lb (파운드) 입니다.
단위 추력 시간당 연료 소비: 비 추력, 연료 소비 대 추력 비율, 미터법 단위 kg/N-h, 작을수록 연료 절약.
터빈 전 온도: 연소 후 고온 고압 기류가 터빈으로 들어가기 전의 온도입니다. 일반 온도가 높을수록 성능이 좋습니다.
가스 출구 온도: 배기가스가 터빈을 떠나 배출되는 온도입니다.
평균 무고장 시간: 엔진당 두 번의 고장 사이의 총 평균 시간입니다. 시간이 길수록 고장 가능성이 낮을수록 일반적으로 유지 관리 비용도 낮아집니다.
사용법 이 섹션을 편집합니다
터빈 제트 엔진은 저공 아음속부터 고공 초음속 항공기까지 광범위한 항해에 적합하다. 미그 -25 는 구소련의 전설적인 전투기로 류레카 설계국의 터보 제트 엔진을 동력으로 사용하여 3.3 마하의 전투기 속도 기록과 37250 미터의 상승 기록을 세웠다. 이 기록은 일정 기간 동안 깨질 것 같지 않다.
터보 팬 엔진에 비해 터보 제트 엔진의 연료 경제성은 떨어지지만 고속 성능은 터보 팬 엔진보다 우수합니다. 특히 고공 고속에서는 더욱 그렇습니다.