充分燃烧需要氧气,那么飞机使用燃烧航空煤油,在高空中氧气稀薄,如何保证有充足动力前行?

先说结论:在高空,由于氧气稀薄,发动机为了维持正常的推力,需要增大单位时间内的进气量来保证;可能有人要说,这不废话吗?的确是废话,但本文的价值,在于揭示飞机和飞机发动机在高空下是如何工作来保证进气量的。办法有两个,一个是增大压气机转速,让空气增压比升高;另一个是飞机本身飞的要快。

由于空气的稀薄程随高度变化,而且是非线性的,在17公里出有一个拐点,过了这个拐点,空气密度将随高度的增加而剧烈变小。所以在高空状态下,飞机要想尽办法来增加进气量,不然就死定了。

空气压强随高度的变化曲线,可见当飞机在17高度时,此时的空气压强只有地面的1/10

我们就以使用最普遍的涡扇发动机来说明,飞机在高空如何保证推力满足要求。涡扇发动机是:风扇-低压压气机-高压压气机-燃烧室-高压涡轮-低压涡轮-加力燃烧室的结构。任何空气来流,都要线先在进气口减速、预压缩,然后通过流经进气道,由涡扇发动机的风扇吸入,并经过低压压气机和高压压气机对空气逐渐增压,最终才会送到燃烧室进行燃烧,在这个过程中,稀薄的空气在近似绝热的条件下被逐渐压缩成高压空气。

以F414-GE-400为例,说明航空涡扇发动机的结构

比如F-15配备的F100涡扇发动机,增压比可达28.5:1,也就是说经过高压压气机后的压缩空气总压将达到发动机进口总压的的28.5倍;F-16配备的F110发动机更是可达到29.9-30.4:1;而民用的GE90X大涵道比甚至达到了十分变态的61:1!能够给空气增压到如此高的程度,涡扇发动机压气机可以说功不可没,压气机也承担了十分恶劣的工况。也正因如此,高压压气机也是除了发动机热端以外第二难设计的部件。

那么压气机工作,本身也要有动力来源,它的动力来源是哪里呢?其实是靠后端燃气涡轮的传动来带动旋转的。一般来说发动机会设置两级涡轮,分别是高压涡轮和低压涡轮。低压涡轮和低压压气机以及风扇通过传动轴连接,高压压气机和高压涡轮通过另一根独立的传动轴传动。这样,压气机可以自由调节转速,使风扇和涡轮都各自工作在最佳状态,满足各种状态下的进气要求,以及避免喘振事故的发生。

两级传动的涡扇发动机,分别用绿色和紫色代表两个传动组

除此之外,飞机在高空必须满足一定的最小速度,才能保证发动机的正常循环,而这个最小速度要比飞机在低空时的失速速度要大的多了。在20公里以上的高空,一般至少要达到1倍多音速的速度才行。为啥呢?其实这也是为了发动机的保证进气量足够。因为单位时间进气量=截面积X空气相对流动速度X空气密度,高空空气稀薄,因此空气密度小;只有达到一定速度时,空气的流量才能满足发动机最起码的工作循环要求,否则推力不足,甚至可能导致熄火。而截面积是没法改变的,所以只能改变空气相对流动速度,也就是自己要飞的快一些。

如下图是AL-31F发动机的推力曲线图。横坐标代表飞行马赫数,纵坐标代表推力,每条曲线都代表一个高度下测到的推力。可以看到,在0高度时,飞机发动机的速度允许是0,而随着高度增加,曲线的最小速度也就随之增加,在20km高度时,速度不能小于1.4马赫。而在每一种高度下,随着飞行马赫数增加,推力也随之增加。这也说明飞机速度越快,单位时间进气量越大,也就越能够产生更高推力。所以一般高空飞机我们都叫高空高速飞机,只有飞得够快,才有能产生足够的推力维持升力平衡。有人说飞的快那阻力不也大吗?确实,当飞机飞到一定速度时,阻力和推力就达到了平衡,就再也无法提速了,所以飞机都是有极限速度的。但是由于高空空气稀薄,反而让飞机的飞行阻力变低,所以一般飞机的极限速度都是在一定高度下的高空飞出来的。(当然了,不可能无限高,不然发动机没法工作)。

AL-31F发动机推力曲线

只有像U-2这种特殊设计的,用超大展弦比和超大机翼面积的飞机才敢在高空飞低速。而像民用客机波音777,虽然发动机推力巨大,无奈它太重了,而且那个夸张的大涵道比发动机阻力也较大,飞不了高速,所以升限也就只有10000多米。

低速飞机能飞到25公里以上的也就U-2了

适合飞高空高速的战斗机,其实长这样

虽然有历史上有少数飞机可以达到20公里以上高度的升限,比如U-2,SR-71,歼-8等,但是实际上高空高速现在意义已经不大了,目前大多数的飞机实用升限都小于20公里。

航空发动机专业的同学来回答一下。

现在的航空发动机一般都是涡轮燃气发动机,这种发动机的结构中,都必然有一种被称为压气机的结构(Compressor),这种结构通过层层叠叠的叶片【如下图所示,就是航空发动机里面的多级压气机叶片】,将空气加压,所以即便是稀薄的空气也能够在高压之下为燃烧室内的燃烧提供充足的氧气。我看到有的答主说是“风扇”在加压,这个说法是错误的,风扇的加压能力极为有限,主要用途是提供推力,而不是增加压力。

下面这张图就是正在旋转的压气机。而且随着压力的增高,发动机的效率也会提高,因此发动机的压气机给空气增压的能力是非常重要的,我们称之为“增压比”,而我们常说的发动机“三高”,也就是高增压比、高涵道比、高涡轮前温度是航空发动机效率提高的关键因素。

比如说最先进的民用发动机之一GE9X的增压比可以达到61,由此带来了这一型号发动机超高的运行效率。【如下图所示,就是GE9X的介绍】

当然,高空空气的稀薄也给发动机的设计带来了很大的问题。

从理论上说,即便是最先进的发动机,随着飞行高度的增加,空气越来越稀薄,发动机是一定会在某一个高度再也不能工作。而为了保证飞机能够应付这种空气稀薄的状态、发挥发动机的最高效率,飞机发动机的工程师们要花费更多的心思。

最简单的说,我们在计算发动机工作状态的时候,有一个很重要的概念,就是要把所有的跟发动机性能相关的特性曲线转化成“海平面标准大气压”状态,也就是说,发动机的形状、转速什么都不变,随着海拔和温度的变化,发动机的运行状态在特性曲线上的位置也会发生改变。这就有利于我们不必考虑发动机实际工作的海拔和温度了。

总之,高空空气稀薄这个事情,对于航空发动机是一个很重要的问题,但是我们的工程师已经充分考虑到了这个问题,并且提出了对应的办法呀。

这个问题老梁来回答。

也是啊!九年义务教育就告诉咱,燃烧有三要素,氧气,着火点,和可燃物。

对于飞机来说,可燃物就是煤油,着火点好说,您点他不就完事了,火柴的温度不够,咱还有火药,再不济咱还有电打火。

氧气这就不好说了,毕竟现在的飞机,这家伙飞的那是越来越高了。

大家伙也知道,这高度越高,上边的氧气他就越少。

为嘛青藏高原要有啥高原反应,说道根子上一个是气压小了点,肺里的压强大把青藏高原的大气压强给顶住了,空气进不去了,您听着喉咙干拉,这肺压根就不工作,这不坑人吗?再有一个就是氧气少。

所以高空飞行的飞机,那嘎达的氧气更可怜。

咱都知道,战斗机那屁股后头的火苗子,急眼了这都是蓝汪汪的,温度绝对高,那意味着吞进去的氧气绝对少不了。

您这头少,但您那头却吃得多,这咋整?

一台发动机全给您解决了。

咋说呢?发动机大体分七个结构,咱只要了解前四个,题主的问题就解决了。

首先是风扇,这家伙是管吸气的,这好理解。

跟着就是低压压气机,听这名您就知道了,你高空气压就低,吸进去的空气可不就是低压的吗?压气机一听您就明白了,这不就是压缩空气吗?

对喽!先把这低压气体压的高一点,咱再来个走你。

这就进了高压压气机,为嘛是高压呢?低压这么一压缩可不就是高压了吗?然后这还是个压气机,于是这部分空气又进一步压缩。

说道这里估计有小伙伴要问:“咋压俩回呢?”

高度太高了,压一次不够劲啊!得多压一次。

这回压完了,直接就进入燃烧室,呼呼啦啦的就着了,氧气要多少管够!撑不死你找前边俩大兄弟去要,当然您千万别到太空去遛弯,那可没有氧气,您就是把再装俩压气机这都不成,没东西不是。

那么这么做就可以万无一失了吗?

你快拉倒吧!军事装备咋也要做到两手抓,两手都要硬的程度,不然他就不是军事装备了。

最后一点提高氧气进入燃烧室的手段就是提速。

因为这里边有一个公式,这进气量的多少,和您这进气道的横截面积,空气速度以及空气密度有关系,啥关系呢?您把后边这三数据乘起来就完事了。

进气道的横截面积这改不了,设计师就给你这么大一口子,再说口子在开的大一点,这飞机那不叫飞机叫吸尘器了。

空气密度也改变不了,那么剩下的就是空气速度了。

那咋让空气速度提速呢?空气的速度提不起来,咱可以提升飞机的速度,相对的来说空气速度不就起来了吗?这就叫相对速度。

所以啊!您就瞅吧,这飞机飞的越高,他的飞机飞的就越快,因为不快的话,指不定发动机就给你撂挑子了,毕竟吃不饱,出来干活,谁也委屈,不撂挑子才怪呢?

好了,今天就写到这里,喜欢的朋友加个关注,顺手点个赞呦!

为了回答这个问题,首先介绍一下喷气式发动机的主要构造和原理:

喷气式发动机按工作原理分成两大类——涡喷和涡扇。

涡喷发动机前端设置一系列压气机叶片,通过压气机叶片高速旋转,将外界空气抽入发动机,并在抽入的过程中对空气进行连续加压,这样就可以向燃烧室注入符合要求的高压空气。高压空气和航空煤油喷雾混合,点火,燃烧,经过一个拉瓦尔喉道(收缩-膨胀)向后方喷射,在喷射过程中推动涡轮旋转,这个涡轮旋转会带动前端的压气机继续旋转,这样就产生了持续性工作力量。

涡扇发动机的原理较为复杂,前端压气机分成了两个涵道,直径较大的外涵道和直径较小的内涵道。被压气机吸入的空气也被分成两个部分,一部分走外涵道,加压之后,并未流入燃烧室参加化学反应;另一部分走内涵道,如同涡喷发动机那样,参加化学反应。

两个空气之后在喷管部位混合,合并之后喷向外界,形成反作用的推力。

从原理上来看,无论是涡喷还是涡扇发动机,都是属于“自带”压气机的航空发动机,对于外界大气压强变化并不敏感,因为这些喷气式发动机的加压效果达到20倍以上。正因为如此,使用喷气式发动机的飞机,能够在10000米以上高度飞行,甚至还可以达到20000米以上高度。相比之下,采用活塞式动力的飞机,一般低于5000米,如果配置涡轮增压器可以达到10000米左右,再往上就很难了。

这个问题呢就回答到这里吧。

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高原、高空气压会降低(海拔高度每上升个1000米、气压降低10%,所以自然吸气发动机而言功率水平下降10%,可以理解成削峰的状态、功率上限降低10%),既然高海拔等于减压状态,那么解决问题的方式就是增压呗,是不是很简单?当然原理永远都是那么简单明了!

举一个实际例子,大家应该都知道在高海拔环境、气压降低,水的沸点降低、水沸腾而温度却达不到,该如何解决?一个高压锅足矣解决问题,甭管锅外是什么状态、咱们给锅内增压,确保高压锅的内环境压力够、重新提高了水的沸点,所以就又可以煮熟食物了,这就是增压的好处;也可以理解成布雷顿循环对低大气压环境的作用!

涡扇式发动机就是个超大的涡轮

如上图所示、这就是个涡轮增压器,当然这是汽车上的涡轮增压器;由进气端涡轮、排气端涡轮所组成,两组叶轮保持同轴、当排气端涡轮(图中红色部分)被废气顶转的时候,与之保持同轴连接的进气端涡轮也会旋转,进气端涡轮就会带动空气强行往燃烧室里压缩;高海拔(高空)虽然气压低、空气稀薄,但通过增压系统压缩进燃烧室的空气体积可以增大,确保了发动机可以燃烧充足的燃料、保持动力,当然飞的越高、需要压缩进燃烧室的空气体积也约多,这就是布雷顿循环发动机的核心就是增压比、以及涡轮前温度(废气进入排气端涡轮前、所携带的热量)!

而飞机用的涡扇发动机,其结构本身就是个大涡轮增压器(如上图所示),压气机部分等同于进气端涡轮、图中的涡轮等同于排气端涡轮,中间的燃烧室相当于汽车涡轮增压器的中间体(就好比把燃烧室布置了在了中间体中,鄙人只是夸张的比喻);与汽车涡轮增压器相同的是压气机叶轮组、与涡轮叶轮组也是保持同轴连接,与汽车增压器原理完全一样;原理也完全一致,由燃烧产生的废气推动涡轮、涡轮转动带着压气机转,随着海拔高度不断提升、涡轮系统功率不断提高,压气量也越来越高!

什么是布雷顿循环

布雷顿循环实际上就是一种以气体为工质的热力循环,利用高温气体直接做功、咱们常见的汽轮机就是采用的布雷顿循环(淘汰的航发可作汽轮机使用);如上图所示、布雷顿循环温熵图,0-2的?过程?实际上?就是?外部?空气?被?压气机?压缩?的?过程?,因为?气体?在?被?压缩是时?会?释放?热量?,所以?在?2点?位置?上?的?实际?温度?大幅度?提高?;而?2-3的?过程?就是?燃料?燃烧机的过程?,到?了?点?3、燃料?燃烧?后?的?气体?热量?极大?,3-4过程?就是?蕴含?巨大?能量?的?废气?穿过?涡轮?、因为?处?高海拔?低气压?的?外部?环境?,而?从?内部?环境?排出?的?高温?废气?迅速?膨胀?!

这个原理理解不了、可以想象一下高原胀袋反应,也会是在平原买的食品、到了低气压环境下会膨胀;飞机在高空、超低气压状态下飞行,燃烧室(加压内环境)高温废气经过涡轮后急剧膨胀、做功、降温,产生的能量足够转换为机械能、维持飞机行使,剩余部分可以用来继续带动压气机叶轮组继续运转;所以布雷顿循环发动机在空气稀薄环境下依然可以正常行驶,只要让增压比足够的大、涡前温度足够高,那么就可以在任意高度飞行(略夸张)!

但实际上燃烧室恐怕承受不住太高温度,就好比给家用涡轮增压汽车打10bar的压力、能上2500匹,但实际结果就是发动机率先融化了;实际上涡扇发动机燃烧室温度是很难承受住2000K以上的;写到这各位应该明白涡轮增压(布雷顿循环原理)对于高原、高空的意义了吧?实际上汽车在高原行驶时,涡轮增压发动机也更强势,虽然汽车发动机是奥托循环、但独立存在的增压系统所利用的还是布雷顿循环,利用发动机高温废气、经过涡前后剧烈膨胀做功,强行增加燃烧室的压力,高原反应在于失压、把压力增加上去就正常了!

无论是涡扇/涡喷气式发动机,发动机都有很多级“风扇”以及压气机,确保空气流量满足发动机的供气需要的!

飞机发动机的工作高度决定着飞机的实际升限。

飞机在高空稀薄空气中如何实现充分燃烧-「增压」

众所周知空气会随着海拔的升高而逐渐变得“稀薄”,可以理解为分子间隙扩大或空气膨胀,相同体积内的空气中的密度降低,说白了就是分子减少; 在滇藏等高原地区会有明显的高原反应,原因正是海拔升高之后造成空气中的氧分子数量的减少。标准拔海的空气氧浓度是21.94%,随着海拔的提升而减少的比例大致如下;那么在地面高海拔区域就能下降如此之多,飞行高度上万米的飞机还有氧气吗?

一般客机的飞行高度可以万米,10000米的高度压强只有0.26个大气压,而氧气压力只有0.06bar;而能够让令人感觉正常的氧气压力要在0.17-0.23bar之间,对应的是海拔2400米的高度。所以高空中的飞机是需要改为舱内进行加压的,标准正式2400米以下,但是外部的空气氧浓度还是很低,飞机使用的涡扇或涡喷发动机也是以燃烧的方式为基础而转化机械能;空气中的氧气是燃料的助燃剂,氧气稀薄的空气如何能让航空燃油充分燃烧呢?

图1:氧浓度对燃烧充分性的影响

图2:涡扇或涡轮发动机的结构概念,重点观察“压气机”部分。


什么是压气机?

压气机说白了就是「空气压缩机」,和汽车使用的涡轮增压发动机的压气部分的概念相同;空气从硕大的进气道中进入发动机之后,先要通过压气机进行压缩,也就是让大团的空气体积减少、压缩使分子的间隙减小。那么压缩后的空气密度就会变大,说白了就是空气中的氮、氧、二氧化碳、六种稀有惰性气体的含量都提高了;其中最重要的是氧分子的增长,氧气增多自然可以回到常压的氧浓度标准,再进一步的体会是能到富氧燃烧的状态。

涡扇或涡喷发动机的压气机标准非常高,可以达到30-60:1左右——概念是空气的压力增强的倍数。


汽车的压气机有什么意义?

增压的概念已经很清晰,但飞机是一种只需要乘坐而不需要普通爱好者研究的交通工具,值得研究的当然还是汽车。任何以燃烧燃油转化机械能的发动机,都会因氧浓度的变化而出现动力的变化,也就是“发动机的高原反应”;汽车当然也不例外,不过已经作为主力的涡轮增压汽车并不是单纯为了克服高原反应,而是为了提升动力并节油。

汽车常用的是废气涡轮增压系统,增压器一端连接排气歧管,通过自然吸气发动机正常运行时产生的高压尾气驱动增压器的涡轮,其转速可以到达每分钟十万转以上;增压器的涡轮会与压气机部分的涡轮刚性结合,两个涡轮的转速是一样的,而进气道的涡轮就能够提升吸力并压缩空气。

代步汽车的运行转速总是很低,自然吸气技术想要达到与气缸容积(排量)相同的进气量,必须将转速拉升到高转区间;但是转速越高耗油量就会越大,想要实现“低转速大马力”就得在低转速区间让吸入的空气与气缸容积一样。这就需要一种以不提升转速为前提的吸气方式,增压器的高转速的涡轮就是为了吸气;而空气吸入涡轮部分还会被压缩,这就像飞机的涡扇机一样,实现的是进入气缸的空气与其容积相同,而且还是高密度(氧浓度)的压缩空气。

于是正常行驶中的增压机也是富氧燃烧状态,低转速即可爆发力最大扭矩;而(扭矩×转速÷9549×1.36=马力),扭矩大小和转速高低都能决定马力,那么以增压技术提升扭矩,实现低转速大马力自然可以节油喽。反之不需要考虑油耗的时候,“大扭矩高转速”的动力也会更强。

综上所述,增压富氧燃烧技术的应用很广泛,除了工业领域的应用,在交通工具方面包括飞机、柴油动力的客货车,以及乘用车中的TURBO选项都用这种技术;增压技术的初衷是为节油减排,同时获得了动力的提升则是锦上添花。所以选择燃油汽车还是要以增压车型为主,同排量发动机总是扭矩越大越好。

至于增压汽车在高原上同样会出现高原反应,但氧浓度下降的比例实际也是与自然吸气发动机同比例减少的;那么2.0T-400N·m与2.0L-200N·m的同比例减少,是不是前者的性能仍旧更强呢?这就是增压技术的魅力。


编辑:天和Auto-汽车科学岛

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高空中尽管空气稀薄,但是毕竟还是有一定密度的空气。而飞机飞行速度快,进气量大,加上压气机的作用,还是可以保证飞机发动机燃烧所需足够的氧气的。

比如波音747客机的发动机进气量就达到320千克/秒,还有的客机进气量甚至高达1.4吨/秒,美军F22隐形战机进气量也达到了140千克/秒。这么多空气中含有的氧气自然是足够燃烧的。

F22隐形战机的F119涡轮风扇发动机总增压比可达23~27,足以把稀薄空气变成高压、高温的浓密气体。

这就是为什么飞机还是要有飞行限高的,这说明在合理的高度上氧气还是可以足够供应。当然,超出限定高度了,氧气可能就不够了,大多数飞机的飞行高速一般都不超过2万米左右。

飞机发动机有一个增压比的参数,代表发动机能将进气增压多少倍。比如民用涡扇发动机增压比一般是40-50,在高空假如大气压为0.1个海平面标准大气压,经过发动机压气机增压以后进入燃烧室的气压就变成4-5个标准大气压。

军用发动机为了提高推重比,减轻发动机重量,压气机级数较少,导致增压比较低,一般只有24-32。

飞机一般都在平流层飞行尽管氧气少但还是够一般飞机发动机正常使用,另外飞机上备有空气压缩机在低空飞行时会压缩存储一些空气以备使用,如果超过平流层飞行的航天飞机和宇宙飞行器就需要携带液氧以备发动机和驾驶员使用。

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