飞机发动机构造简析：从喷气原理到机械结构的解析

飞机发动机是飞行器的核心部件，对飞机的性能和安全起着至关重要的作用。飞机发动机构造的简析包括了发动机的基本组成、工作原理和性能特点等方面的内容。通过了解发动机的构造，可以更加深入地理解飞机的运行原理，从而有助于提高飞机的性能和安全性。本文将会介绍飞机发动机的主要构造和工作原理，以便让读者更好地了解飞机发动机的基本知识，为进一步学习和研究提供基础。

上图为F100涡轮风扇发动机基本构造图。F100涡轮风扇发动机是美国研发的第四代航空发动机。F100是加力涡轮风扇发动机，加力燃烧室的火焰稳定器在图中的尾喷口以橙色显示。

为了使飞机能在空中移动，我们必须使用某种推进系统来产生推力。用于现代飞机的最广泛使用的推进系统形式是燃气涡轮发动机。涡轮发动机有多种形式。

涡轮喷气发动机（turbojet）

大多数现代客机和军用飞机由燃气涡轮发动机提供动力，也称为喷气发动机。最简单的燃气涡轮是涡轮喷气发动机。

图中描述了引擎的各个部分。通过发动机的空气会发生什么。大量的周围空气不断地进入发动机入口。（在英格兰，他们称这部分为进气口，这可能是一个更准确的描述，因为压缩机将空气吸入发动机。）

我们在这里展示了一个管形进气口，就像你在飞机上看到的那样。但根据飞机的用途，进气口有多种形状和尺寸。在进气口后部，空气进入压缩机。

原理：压缩机就像许多行翼型一样，每排产生压力小幅跳跃。压缩机也像电风扇。我们必须提供能量来转动压缩机。在压缩机出口处，空气的压力比自由流高得多。在燃烧器中，少量燃料与空气结合并被点燃。（在典型的喷气发动机中，100磅空气/秒与仅2磅燃料/秒相结合。大部分热排气来自周围空气。）离开燃烧器，热气通过涡轮机。涡轮机像风车一样工作。涡轮机被热气流推动，并旋转。在喷气发动机中，涡轮机获得的能量通过涡轮轴来转动压缩机。虽然涡轮机从热排气中吸收一部分能量，但是剩余的能量足以通过尾喷口以一定的速度向喷气发动机提供推力 。因为尾喷口速度大于自由流速度，所以如推力方程所述产生推力。对于喷气发动机，出口质量流量几乎等于自由流质量流量。而非常少的燃料被添加到流体中，所以忽略燃料质量。

涡轮喷气发动机的喷嘴通常设计成将排气压力恢复到自由流压力。然后通过一般推力方程给出涡轮喷气发动机的推力方程 ，其中压力面积项设定为零。如果自由流条件用“0”下标表示，退出条件用“e”下标表示，则推力F等于质量流量m乘以出口处的速度Ve减去自由流质量流量速度V0。

F = [m* V] e - [m* V] 0

该等式包含两个术语。

空气动力学家经常将第一项 （m* V）e称为总推力，因为该项主要与尾喷口中的条件有关。

第二项（m* V）0 称为柱塞阻力，通常与进气口条件有关。

为清楚起见，发动机推力则称为净推力。我们的推力方程表明净推力等于总推力减去柱塞阻力。如果我们将等式的两边除以质量流量，我们就会获得一个称为特定推力的效率参数 ，这大大简化了涡轮发动机的性能分析

下面分析一下推力方程（原谅我用了粗糙的手绘。），便于方程的理解。

轴流式压缩机：

在轴流式压缩机中，空气平行于旋转轴线流动。压缩机由几排翼型叶栅组成。某些行，称为的转子，被连接到中心轴，并在高速旋转。其他行，称为定子，是固定的，不要旋转。定子的工作是通过使流动平行于轴线来增加压力并防止流动绕轴线旋转。

离心式压缩机

离心式压缩机如何工作？细节非常复杂，因为叶片几何形状和所产生的流动是三维的，不稳定的，并且具有粘性和可压缩性。压缩机上的每个叶片产生的压力变化很像旋转螺旋桨的翼型。但与螺旋桨叶片不同，离心式压缩机的叶片彼此靠近，这严重改变了叶片之间的流动。离心式压缩机还通过径向转动并因此加速流动来对流动起作用。压缩机设计者必须依赖风洞测试和复杂的计算模型确定离心式压缩机的性能。

涡轮风扇发动机（turbofan）

由喷管喷射出的燃气与风扇排出的空气共同产生反作用推力的燃气涡轮发动机。

涡轮螺旋桨发动机（turboprop）

加力式涡轮喷气发动机（afterburning turbojet）

总结

虽然每个引擎都不同，但它们都有相同的部分。

这些发动机中的每一个都具有燃烧室（红色），压缩机（青色），涡轮（紫色）以及进气口和尾喷口（灰色）。

压缩机，燃烧室和涡轮机被称为发动机的核心，因为所有燃气轮机都具有这些部件。

核心也称为气体发生器因为核心的输出是热废气。气体通过尾喷口产生涡轮喷气发动机的推力，同时它用于驱动涡轮风扇和涡轮螺旋桨发动机的涡轮（绿色）。因为压缩机和涡轮机都连接通过中心轴，且一起旋转，该组件被称为涡轮机。

由于其高功率输出和高热效率，燃气涡轮发动机还用于与航空无关的各种应用中。将发动机的主轴连接到电磁铁将产生电力。燃气轮机还可用于为船舶，卡车和军用坦克提供动力。在这些应用中，主轴连接到齿轮箱，非常类似于涡轮螺旋桨发动机。