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中國航空發動機突破性進展:戰機加力燃燒效率達99%

2024-12-06 13:24:08

據香港《南華早報》11月26日報道,據中國航空發動機研究院的研究人員發表的論文,創新技術提高加力燃燒室的效率,已經革命性的提升到了99%,這個進步將對我國的航發產生重大影響。

真不是造假:各位可能理解有點問題

各位網友作為理工科的高材生,一眼就能看出這資料有問題,因為熱機效率達到99%是不可想象的,就目前的技術而言,內燃機能超過40%已經是頂尖水平,噴氣式發動機熱效率在能超過50%甚至更高一點,熱電聯供的燃氣輪機超過65%也是可以的!但要達到99%簡直就不可能,不是技術不行,而是物理定律!

所以這99%一定就是造假的,這是很多理工科網友的第一反應!這個確實如此,但事實上這個99%是燃燒效率,簡單的說就是有沒有燒完,而不是熱效率!因為在發動機的加力燃燒室內要達到這個資料實在非常困難,有興趣的朋友可以繼續看看戰機發動機的家裡燃燒到底是個怎樣的過程。

上圖為噴氣式發動機的基本結構,渦輪葉片高速轉動吸入大氣並經過壓氣級多級壓縮後被送到燃燒室,然後噴入燃油點燃,高溫高壓的燃氣在燃燒內向尾部膨脹,首先會推動高溫渦輪做工,這個高溫渦輪將會帶動發動機前半部分的壓氣級工作,這就完成了一個工作迴圈。

第二個是這些高溫燃氣在經過高溫渦輪後會在經過高溫渦輪繼續向尾噴口排出,正常情況下就結束了,這就是常規不包含後燃器的發動機的工作模式,比如客機、轟炸機或者無人機這些不需要劇烈動力變化的飛行器的動力模式!

但是除了這些要求外,像戰鬥機這種在起飛或者超音速飛行時需要有超出發動機推力的模式工作,此時就需要一個後燃器,也叫做加力燃燒室,這個模式的原理很簡單,在燃燒室噴油燃燒後的燃氣中,還有大量未參與燃燒的氧氣,所以可以在加力燃燒室內直接噴入燃油,如下圖:

在加力燃燒室內噴燃油燃燒,會將高溫燃氣的進一步提高溫度,同時加力燃燒室內壓力也會增加,這有如下幾個變化:

發動機推力會大增,一般推力能增加30%甚至45%以上,比如WS-10的中間推力為89千牛,但加力推力能達到132千牛,足足增加了48%;燃燒室壓力增加,會導致高溫渦輪工作條件惡劣,排氣不暢,溫度上升,同時加力燃燒室溫度也會上升,發動機在這種模式下工作時間有限,一般在10分鐘內;

所以加力燃燒模式下發動機推力確實會增加,但工作條件是有限制的,比如不能長期使用,超過使用時間會導致發動機出現不可逆的損壞。

回到討論燃燒效率的問題,因為從這裡開始可以討論本文開頭提出的問題了,這個加力燃燒室內噴油有一個噴油網,從發動機尾噴管內就能看到,這是一個有著很多微孔的小管道,在燃燒室內噴入燃油。

燃燒效率就就取決於這些管道的微孔中噴出的燃油霧化效果,如果效果非常好,噴出的燃油就能和氧氣結合發生燃燒,如果霧化不好,就有部分可能來不及燃燒就被被帶著排入了大氣,因為尾噴管內不僅高溫,還有高壓和高速,霧化不好就來不及燒。這就會出現兩個結果:

一個就是油耗增加,因為有部分燃油來不及燒就被排出了,只能多噴一些燃油;另一個是來不及燒的燃油可能會出現碳化混入燃氣中,也就是出現了黑煙;

俄羅斯的RD-33發動機冒黑煙就有部分這個問題!但是俄羅斯為什麼一直沒改善呢?無非就是技術難度,因為要在高溫高壓的後燃器中搞一個噴霧網,那個技術要求不低,而且還會有高溫變形以及高溫下霧化的難題。這次中國航空發動機研究院的研究人員就是解決了這個問題。

他們開發了一種創新的燃油噴嘴,脈衝燃料在噴嘴內沿Z字形路徑流動,並以不同角度噴出,以達到最好的霧化效果,實際測試發現,使用這種霧化噴嘴,能讓發動機加力燃燒效率提升到99%。

所以各位看明白了嗎?是燃燒效率提高到99%,而不是熱效率,這是兩個概念!燃燒效率大致意思就是指放到爐膛裡的柴火全燒完了沒,熱效率的大致意思是爐膛裡的柴火燒開了多少水。

另一種提升航發推力:變迴圈模式

上文中我們提到了一個非常有趣的模式,即在加力燃燒室條件下發動機工作時間不能延長,因為高溫會導致高溫渦輪產生不可逆的變化,甚至尾噴管都會被自身高溫燒燬,當年就有科學家考慮了一種辦法,避免了加力燃燒模式下燒燬自身的問題!

J58發動機各位知道吧,就是逆天的SR-71偵察機的發動機,看到那三根管子了嗎?對面還有三根,總共六根,這幾根管子的作用就是從發動機的第四級壓氣級裡引出部分高壓氣體,透過這幾根管子直接旁路到加力燃燒室。

簡單的說就是引入低溫壓縮大氣進入加力燃燒室,降低開加力燃燒時候的溫度,所以J58發動機可以一直開加力燃燒室不會有事,各位是不是發現了一種大幅度提高發動機推力同時對發動機沒有影響的方式了?

這就是變迴圈發動機的鼻祖,這種變迴圈發動機有個缺點就是油耗還是偏大,比如SR-71偵察機,空機重量30.6噸,全機重量高達77多噸,幾乎都是燃油,因為SR-71沒有外掛點,沒有彈艙,航程5400公里,最高速度3.32馬赫。

現代的變迴圈發動機不會這樣設計,會有多級引氣,並且也不是加力模式下使用,而是發動機根據自身的工作狀態自適應調節,已達到最佳工作模式!關於變迴圈發動機,就目前公開的資料,美國通用和普惠都拿出了變迴圈發動機,不過為這種發動機準備的NGAD下一代戰鬥機卻還不知道在哪飛呢。

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