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第十五章 核心机 结构选择

工业心脏 长风浪xo 2339 2019.06.19 21:46

  陈东风在这么短的时间内看了七八本书,如果是在雷劈以前是万万做不到的,即使他现在的自学只是囫囵吞枣。但他的脑域开发程度受到了意识融合后的二次开发,扩大了将近一倍。他对数字的敏感程度、新技术的理解能力达到了一个前所未有的高度,基本上自学和上课一个效果的程度。

  现在他由于时间太紧,自学这些课程理解上还有点浅薄,因为他没有把里面的公式都自己推导一次,只是先拿来用而已,但如果给他点时间温习几遍后,那他的掌握程度不亚于跟老师学习。

  就这样,陈东风自学了将近一个月的时间,带着他那些掌握的不是很通透的专业知识开始了航模核心机的设计。

  陈东风首先从贯穿发动机的轴来开始考虑,就是所谓的单转子、双转子和三转子航空发动机,这三种是各有优缺点的。

  单转子的航发是把压气机和涡轮固定在同一个主轴上。在压气机和涡轮的中间是燃烧室,又称火焰筒。高温高压的燃气推动涡轮以上万转的转速旋转,同时带动压气机也以这个速度旋转,压缩空气。单转子(单轴)发动机结构简单,但压缩效率有限,而且耗油率高。

  双转子航发是人们把压气机分成了两部分,即低压压气机和高压压气机;同时,把涡轮也分成了两部分:即高压涡轮和低压涡轮。高压涡轮和高压压气机用一根空心轴连起来,低压涡轮和低压压气机用一根细点儿的轴连在一起,穿在空心轴里面。这样做的结果就是高压压气机和低压压气机可以用不同的转速旋转,工作效率大为提高。

  三转子航的诞生是因为涡扇发动机在压气机前面又多了一级风扇。它同压气机、涡轮一样是高速旋转的叶片。那么它应该与谁同轴同速呢?一般来讲,风扇与低压压气机同轴同速,也就是采用双轴体制。然而这又产生了一个效率不高的问题。所以干脆把风扇轴也独立出来,同另一组低压涡轮连起来,于是三转子(或三轴)发动机就诞生了。三轴提高了效率,发动机推力大增,燃油消耗也节约了不少。但带来一个大问题,三根轴,一根套一根,在高速旋转时如何能保证强度。

  要选择好轴的问题,必须要兼顾技术难度和核心机的效能。陈东风开始是想要直接上双转子的,因为现在的航发主流都是双转子及以上。但杨辉和他在讨论的时候就说了,我们的航模不仅是设计的要体现出现在的航发潮流,也要兼顾实用性可实现性,复杂的结构会不仅会让我们的理论计算变得复杂,也会让我们最后实物变得异常困难,毕竟加工的难度我们也不好解决。陈东风想想有道理,考虑再三选择了单转子。

  轴确定好了,接下来陈东风要开始设计轴上面的压气机和涡轮叶片的级数和转速。压气机又分为离心式压气机和轴流式压气机 。

  离心式压气机由导风轮、叶轮、扩压器等组成。空气由进气道进入压气机、经过压气机与叶轮一起旋转的导风轮的导引进入叶轮。在高速旋转叶轮作用下,空气由叶轮中心被离心力甩向叶轮外缘,压力也逐渐提高,由叶轮流出的空气进入扩压器后速度降低,压力再次提高,最后由出气管流出压气机。

  离心式压气机的空气流量为数公斤至数十公斤每秒。亚音速离心式压气机的增压比约为4.5,超音速离心式压气机可达8~10,效率约为0.78。

  轴流式压气机是因为空气在轴流式压气机中主要沿轴向流动。它由转子和静子两部分组成。由一排转子叶片和一排静子叶片组成一级,单级的增压比很小,为了获得较高的增压比,一般都采用多级结构。空气在压气机中被逐级增压后,密度和温度也逐级提高。

  轴流式压气机的空气流量为几公斤每秒到二百公斤每秒,单级增压比一般约为1.1~2.0,效率约为0.85~0.88。多级轴流式压气机的增压比可达25以上。轴流式压气机的面积小,增压比和效率都高。

  采用轴流式压气机,势必会让压气机的级数增加而导致核心机重量提升,更何况陈东风要设计的这个航模最大速度也不过是接近音速,所以对增压比的要求达不到10以上。

  更何况离心式压气机的动平性能好,气流损耗小,噪音要低、震动也小。所以陈东风已没有为了技术而技术,选择了比较实用也比较简单的离心式压气机,在与其他三人交流过后,三人也认可了他的选择,一致认为这是个易于实现的方案。

  接下来航模的涡轮结构了。涡轮叶片一般承受较大的工作应力和较高的工作温度,且应力和温度的变化也较频繁和剧烈,此外还有腐蚀和磨损问题,其对工作条件的要求非常苛刻,因此要求叶片的加工精度很高。同时,为提高涡轮效率,涡轮叶片的表面形状通常设计成扭曲的变截面曲面,形状复杂。

  陈东风暂时先不打算考虑叶片的形状设计和叶片加工精度,毕竟这个设计还停留在草稿纸上,他首先要考虑的式涡轮的结构问题。涡轮有向心式结构和轴流式结构两种。

  气流在其中作径向流动的涡轮称为向心式涡轮也称为向心涡轮。它的叶轮形状和离心式压气机叶轮的形状很相似。

  向心涡轮的优点很多,比如当设计得当时,由于流动损失和余速损失较小,故效率高。在容积流量较小情况下此优点更为明显。如果叶片及整个叶轮都有良好的刚度,可以使周向速度达450—550米/秒,并且由于气流作向心流动,涡轮能获得大的比功和效率。由于向心涡轮的叶轮流动损失对于涡轮效率的效率影响较小,使流通部分的几何偏差对效率应先不敏感,所以可采用较简单的制造工艺,而且向心涡轮的重量轻,叶片少,结构简单可靠,有较宽的运行范围。

  基本上这种结构简单和易于实现的结构都是陈东风所喜爱的。

  最重要的就是燃烧室结构的选择了,不过因为是使用了离心式的压气机,只能采用分管燃烧室或联管燃烧室。

  分管燃烧室就是每一个管式火焰筒外围都包有一个单独的外壳,构成一个分管,分管利用传焰管相连。它的优点是和离心式压气机配合协调,并且易于实现并且维修方便。

  联管燃烧室是把多个火焰筒装在同一个壳体间,各个火焰筒燃烧去间用连焰管连接。由于联管燃烧室在保持了分管燃烧室的一些有点的基础上把环形面积利用率提高了。

  在综合比较下,陈东风还是采用了联管燃烧室。虽然会用机构复杂,重量较大的问题,但鱼与熊掌不可得兼,只能平衡取舍了。

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