两侧进气或机腹进气的飞机由于进气道紧贴机身,会受到机身附面层的影响,还会附带一个附面层调节装置。
所谓附面层是指紧贴机身表面流动的一层空气,其流速远低于周围空气,但其静压比周围高,形成压力梯度。因为其能量低,不适于进入发动机而需要排除。当飞机有一定迎角时由于压力梯度的变化,在压力梯度加大的部分(如背风面)将发生附面层分离的现象,即本来紧贴机身的附面层在某一点突然脱离,形成湍流。
湍流是相对层流来说的,简单说就是运动不规则的流体,严格的说所有的流动都是湍流。湍流的发生机理、过程的模型化都不太清楚。但是不是说湍流不好,在发动机中很多地方例如在燃烧过程就要充分利用湍流。
压气机由定子页片与转子页片交错组成,一对定子页片与转子页片称为一级,定子固定在发动机框架上,转子由转子轴与涡轮相连。
现役涡喷发动机一般为8到12级压气机。级数越多越往后压力越大,当战斗机高G机动时,流入压气机前级的空气压力骤降,而后级压力很高,此时会出现后级高压空气反向膨胀,发动机工作极不稳定的状况,工程上称为“喘振”,这是发动机最致命的事故,很有可能造成停车甚至结构毁坏。
经验表明喘振多发生在压气机的5,6级间,在次区间设置放气环,以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。
或者将转子轴做成两层同心空筒,分别连接前级低压压气机与涡轮,后级高压压气机与另一组涡轮,两套转子组互相独立,在压力异常时自动调节转速,也可避免喘振。
空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧,膨胀做功;紧接着流过涡轮,推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上,所以压气机与涡轮的转速是一样的。
最后高温高速燃气经过喷管喷出,以反作用力提供动力。
燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室,每个筒都不是密封的,而是在适当的地方开有孔,所以整个燃烧室是连通的,后来发展到环形燃烧室,结构紧凑,但是整个流体环境不如筒状燃烧室,还有结合二者优点的组合型燃烧室。
涡轮始终工作在极端条件下,对其材料、制造工艺有着极其苛刻的要求。多采用粉末冶金的空心页片,整体铸造,即所有页片与页盘一次铸造成型。
相比起早期每个页片与页盘都分体铸造,再用榫接起来,省去了大量接头的质量。
制造材料多为耐高温合金材料,中空页片可以通以冷空气以降温。而为第四代战机研制的新型发动机将配备高温性能更加出众的陶瓷粉末冶金的页片。
这些手段都是为了提高涡喷发动机最重要的参数之一:涡轮前温度。高涡前温度意味着高效率,高功率。
喷管(称喷嘴)的形状结构决定了最终排除的气流的状态,早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管,以达到增速的目的。
根据牛顿第三定律,燃气喷出速度越大,飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的,因为最终气流速度会达到音速,这时出现激波阻止气体速度的增加。
而采用收敛-扩张喷管(也称为拉瓦尔喷管)能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力,而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。
在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管(也称为推力矢量喷管,或向量推力喷嘴)是历史上两种方案,其中后者已经进入实际应用阶段。
著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代表是美国的X-31技术验证机。
在经过涡轮后的高温燃气中仍然含有部分未来得及消耗的氧气,在这样的燃气中继续注入煤油仍然能够燃烧,产生额外的推力。
所以某些高性能战机的发动机在涡轮后增加了一个加力燃烧室(后燃器),以达到在短时间里大幅度提高发动机推力的目的。
一般而言加力燃烧能在短时间里将最大推力提高50%,但是油耗惊人,一般仅用于起飞或应付激烈的空中缠斗,不可能用于长时间的超音速巡航。
在第二次世界大战以前,所有的飞机都采用活塞式发动机作为飞机的动力,这种发动机本身并不能产生向前的动力,而是需要驱动一副螺旋桨,使螺旋桨在空气中旋转,以此推动飞机前进。
这种活塞式发动机加螺旋桨的组合一直是飞机固定的推进模式,很少有人提出过质疑。
到了三十年代末,尤其是在二战中,由于战争的需要,飞机的性能得到了迅猛的发展,飞行速度达到700到800公里每小时,高度达到了10000米以上,但人们突然发现,螺旋桨飞机似乎达到了极限,尽管工程师们将发动机的功率越提越高,从1000千瓦,到2000千瓦甚至3000千瓦,但飞机的速度仍没有明显的提高,发动机明显感到“有劲使不上”。
问题就出在螺旋桨上,当飞机的速度达到800公里每小时,由于螺旋桨始终在高速旋转,桨尖的部分实际上已接近了音速,这种跨音速的流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧的下降,推力的下降,同时,由于螺旋桨的迎风面积较大,带来的阻力也较大,而且,随着飞行高度的上升,大气变稀薄,活塞式发动机的功率也会急剧下降。
这几个因素合在一起,决定了活塞式发动机加螺旋桨的推进模式已经走到了尽头,要想进一步提高飞行性能,必须采用全新的推进模式,喷气发动机应运而生。