| T O P I C R E V I E W |
| dasha |
Posted - 11/29/2018 : 08:22:26
方形的2D向量噴嘴推力為何沒有比圓形噴嘴低, 實驗數據當然是絕對的, 不過怕有些人說"實驗只是各種意識形態中的一種", 小弟想講得更淺白一點, 但仔細想想, 發現要更淺白, 不能只講噴嘴, 而是要對噴射引擎做簡單的簡介, 簡稱簡簡介, 才有辦法.
已知最早的噴射引擎專利, 是1928年英國與義大利分別提出, 其中英國體系是現在所有體系的始祖, 所以就講英國的.
這個最早的專利, 已經把噴射動力的5個主要部分都列出:
1. 進氣道, 把空氣吸入引擎並整流.
2. 壓縮機, 壓縮空氣讓氧氣總量增加, 以便燃燒時能產生足夠推力, 大氣壓下燃燒你只能烤肉用. 飛機飛行所用壓縮機的作用原理是加速空氣後再減速, 讓動能轉換成氣壓.
3. 燃燒室, 噴油到壓縮後的空氣中燃燒, 整個引擎作用唯一能量來源.
4. 渦輪, 燃燒室燒過的高能量空氣轉動渦輪, 渦輪再連接壓縮機, 讓壓縮機可以轉動, 當然會消耗部分空氣能量.
5. 噴嘴, 把剩下的空氣以最有效率的方式排出去, 產生推力. 注意, 噴射的推力來源是這些排出去的氣體, 而不是氣體去推外界空氣, 氣體推外界空氣那個反而是亂流阻力與噪音的來源.
這個專利剛出來, 多數人其實都不在意, 因為示意圖畫得太差, 加上壓縮機要每分鐘四萬轉, 當時螺旋槳每分鐘幾千轉都可能斷裂, 好幾萬轉根本做不到.
13年後的1941年, 英國第一架實驗噴射機上天, 這時用的噴射引擎, 結構上與13年前的概念圖很接近, 當然細節有些不同, 這些不同就是13年來的努力, 把原先概念圖中不可行的地方修正, 才讓大家都覺得做不到的東西, 變成實際可用的產品.
但, 能飛不是萬事太平, 當時噴射引擎還有至少3個缺點:
1. 推力太低, 所以最早的噴射戰鬥機都是雙引擎.
2. 可靠性太差與壽命太短, 雖然這方面有很多定義問題, 但大概也不過幾十小時, 甚至不到10小時.
3. 耐G限太低, 英國最早噴射戰鬥機流星Mk.!/II的G限低於3G, 根本不是戰鬥機水準.
所以, 戰後的引擎, 就針對這些方面改良, 讓推力至少超過1500kgf, 壽命只少以百小時計算, G限也要超過5G甚至7G, 這才能讓F-86或MiG-15之類戰鬥機用來空戰.
但是, 問題又出現了, 這些1940年代後半到1950年代前半設計的飛機, 基本上引擎主要部分中, 只有壓縮機/燃燒室/渦輪是由引擎廠負責, 進氣道由飛機設計師負責, 而噴嘴部分, 多半也是飛機設計師負責, 引擎自己的噴嘴插在後機身內, 要以怎樣的方式導出來, 看設計師自己怎樣處理機身尾段.
結果, 進氣道與噴嘴, 效率不一定好, 因為飛機在非常廣的高度速度範圍內飛行, 固定的幾個洞, 只能在很小的速度高度範圍內, 確保進排氣最適合引擎.
同樣的問題也發生在引擎內部, 壓縮機是由渦輪帶動的, 所以渦輪轉速如何, 壓縮機轉速就如何.
但是, 壓縮機通常不只1級, 最早那個材料根本無法承受的四萬轉, 就是因為單級需要這樣高的轉速, 甚至更高的轉速, 才能讓空氣壓縮到燃燒時能產生足夠推力, 要降轉速, 就要多準備幾級, 不然就是推力可能低得很難看.
但空氣一級一級壓縮後, 其動力熱力性質都會因為壓縮而改變, 縱使你可以針對每級進行最佳化, 但同樣的, 這也只能在很小的速度高度範圍內, 進氣道進來的空氣速度與密度改變, 就會改變這個結果, 好的話就是壓縮比不符預期, 糟糕的話就是失速而喪失效果......
類似的問題也出現在渦輪, 單級渦輪受力能帶動的壓縮機級數有限, 多級渦輪則後面幾級承受的空氣能量比前面弱, 要求一致轉速, 其實就是挑個不理想的折衷轉速, 影響排氣能量與推力, 也影響壓縮機的壓縮能力.
更糟的是, 這時飛機進入超音速時代, 超音速氣流性質不同於次音速氣流, 這是因為飛機在流動的空氣中, 會產生震動, 形成音波朝機身前後傳出, 等於通知前面的空氣要先讓路; 可是超音速時傳出的音波速度比飛機慢, 前面的空氣就沒有音波先通知......
對於不需要超音速的飛機, 還好, 但需要超音速的飛機, 就要面對次音速與超音速氣流性質的差異, 不可能用單一固定進排氣口與引擎內部設計最佳化, 一定要哪邊能動能變, 才能最佳化.
這時想增加推力, 引擎設計師採用的作法有:
1. 讓壓縮機葉片可動, 進一步提升每級壓縮機的效率, 同時可以容忍進氣道進來比較不適合的氣流.
2. 讓每級渦輪轉速分開, 所謂的雙軸或三軸引擎就是這樣, 這可以讓每級渦輪在相對較適合的條件下轉動, 提高效率.
3. 在渦輪後與噴嘴間加上一組結構, 後燃器, 讓先前沒拿來燒的空氣也拿來燒, 進一步增加推力. 而且這一段因為不需要擔心後面有渦輪會融化, 所以溫度可以更高, 讓排出氣體的能量變高, 推力增大.
4. 向飛機設計師要進氣道與噴嘴的主權, 好依照引擎需求, 設計可動式進氣道與噴嘴, 讓引擎能在更大範圍發揮最佳效率.
引擎內部的設計後面就與噴嘴關係不大, 進氣道因為與飛機影響較大, 即使是最強調速度的SR-71, 進氣道也只有衝壓錐部分與引擎關係較密切, 引擎設計師搶到的主權, 只有噴嘴部分.
但這也不是馬上就搶到, 因為新的後燃器出現, 早期噴射引擎中, 有些後燃器並不是由引擎廠自己設計, 比方瑞典本來要自己研發噴射引擎, 但後來政府不能提供壓縮機到渦輪部分測試用場地與經費, 所以瑞典就買外國引擎, 配自己研發的後燃器, SAAB-35還因雙方搭配不好, 加長一截, 連帶讓機尾後凸, 這加長就算沒有造成額外的能量損失, 至少也帶來呆重.
這些事情其實說明, 至少在早期, 噴射引擎的噴嘴部分設計, 不怎麼有效率, 浪費的能量與推力都不少.
不過, 至少引擎方面搶到一部分噴嘴主權後, 就可以依照自己的需求, 去做針對不同速度調整的可變噴嘴. 最理想的噴嘴, 是可變收歛發散噴嘴, 先讓通過渦輪或燃燒室後的氣流孔徑縮小, 加速到音速, 然後再擴張成超音速氣流, 只要可以調整, 就可以隨速度進行推力最佳化.
但是, 很長一段時間, 噴嘴只有可變收斂, 沒有可變發散, 甚至現在Rafale的M88-2, 也算是一種可變收斂, 沒有可變的發散段.
這是因為噴嘴必須承受高溫高壓氣流, 不管是噴嘴還是可變機構, 都很容易壞, 這時你要在可變收斂部分之後加上可變發散, 這一段的驅動裝置, 不只可靠性要注意, 同時還有重量問題.
然後, 雖然我們說可以提高效率, 但是越到後面提高的效率越少, 比方F-101的破紀錄機, 把可變收斂噴嘴換成可變歛散噴嘴, 多出那發散段最高速推力不過增加幾十公斤, 在比較低的速度簡直就是呆重, 拆了雖然會讓推力下降一點, 但是機身重量下降更多, 破紀錄就算了, 平常的任務不裝還比較好用.
因此, 飛機噴嘴設計師對於噴嘴部分的重量要求, 與年輕女孩子對自己體重一樣, 敏感得要死, 不要說差幾十公斤, 差個一兩公斤都好像天塌下來......
當然, 如果能增加不少推力, 或是AV-8這種根本沒有別的設計可以取代的垂直起降向輛推力需求, 那麼增加一點重量, 就能接受, 這時針對增加推力需求, 出現的是另一種噴嘴, 在SR-71與F-111上可以看到, 在噴嘴旁開幾個槽, 中間高溫高速氣流噴出時, 可以吸入旁邊的低溫低速空氣, 這一來可以降低排氣溫度與紅外線跡訊, 二來有冷卻噴嘴的效果, 三來還可以增加推力, 因為能產生推力的不是只有進氣道進來的氣體, 在噴嘴噴出以前, 都有辦法增加推力, 這也是一個要注意之處.
接著, 就到1980年代的向量噴嘴了, 這時大家講的向量噴嘴, 通常僅限於上下偏轉, 因為那是同時要有逆推力裝置與匿蹤性的設計, 而且當時數位飛控才剛開始發展, 要整合可以朝上下左右360度轉動的噴嘴, 還有困難, 簡化成上下轉動就好.
不過圓形的氣流轉入方形的噴嘴, 直覺就是能量會因為流場的變化而損失, 當時法國在研發M88, 有順便做些電腦模擬, 號稱推力可能損失15~25%, 而稍晚俄羅斯方面資料也指出, Su-27的2D向量噴嘴推力損失接近20%, 這就給了大家2D向量噴嘴推力損失嚴重的印象.
實際上確實有設計是大幅降低推力的也沒錯, 但美國的F-15S/MTD測試機, 顯示出來的結果, 卻截然不同. 這原因只看這時代噴嘴會不知道, 但從前面一路看下來, 大概就會有點感覺, 一方面是你的噴嘴是不是有針對需要的速度進行最佳化設計, 甚至進一步可以吸入外界的冷氣流增加推力, 當一方強調的是最大會減低多少效率, 另一方面強調的是需要的高度速度環境效率差多少, 那個本來就是不同標準, 當然會差很多.
另一方面, 如果你的噴嘴沒怎麼強調歛散比調整功能, 有沒有歛散本來就很容易差十幾個百分比的推力......
最後, 就是1990年代起才出現的3D向量噴嘴, 因為這時數位飛控進步, 要整合向量噴嘴在飛控中比較容易, 加上完全失速後, 向量噴嘴是最有力的氣動力控制系統, 所以很多國家就實驗這種玩意.
但是, 你要裝3D向量推力機構, 要裝在哪邊才能不影響可變歛散功能?
1. 裝在既有的噴嘴後, 如X-31, 通常其實只是燃氣舵, 這是因為噴嘴拉長會增加能量損耗, 本來可變歛散就是要在噴嘴最後段才能增加推力, 裝個舵最不影響噴嘴後的流場. 接下來就看你要像X-31那樣裝在外側, 還是塞在噴嘴中央.
2. 裝在既有的噴嘴前, 如F-35B, 這種很容易拉長噴嘴增加重量, 原則來說不好, 只是對於轉動角度超過100度的F-35B, 目前來說, 也只有這種作法, 歛散噴嘴本體那麼輕小, 還要轉100度, 要做到那個重量也會讓設計師呼天搶地, 反倒裝在噴嘴前會輕一點.
3. 讓既有的歛散噴嘴可轉動, 這種方式可以不用拉長後燃器之後的部分, 不過還是要額外加裝向量噴嘴的驅動部分, 可靠性與機械結構是簡單, 就是重量上......
4. 讓歛散機構同時可以進行推力向量調整, 比起前一個要在歛散噴嘴上加裝噴嘴轉向機構的設計, 這個設計直接用歛散噴嘴的驅動機構去調整噴嘴的推力指向, 最理想狀態是不需要增加任何重量, 當然實際上還是要加重, 不過不會像加裝驅動裝置那樣重, 所以是噴嘴設計師最讚賞的設計. 但是你可變歛散鰭片還要可變向量, 可靠度與壽命可能有點......
實驗機當然都會做最後一種, 但是假如要做成實用機, 那就不一定了. |
| 8 L A T E S T R E P L I E S (Newest First) |
| dasha |
Posted - 07/26/2019 : 09:05:46
1950年代?那個與1940年代德國Heinkel的噴射引擎很像,研發前過度高估產品性能...... |
| ian125 |
Posted - 07/25/2019 : 18:55:56
說這引擎發展史，我倒想問問當年西屋燃氣渦輪部門是發生什麼事情，為什麼幾乎每款引擎都是垃圾？ |
| allenhsy |
Posted - 07/25/2019 : 13:25:45
PW的引擎從F100的時代到現在一直都絕贊出包中,最新的PW1000G繼續出包,不知道什麼時候能好
GE的設計路線選擇到現在都很保守,就是把已知的技術做到極致,然而不知道為什麼YF119/YF120之爭突然變成PW保守GE激進了 |
| dasha |
Posted - 07/25/2019 : 11:50:38
Wiki的三軸引擎列表比較好查,其中有個與台灣關係很深的名子,可惜他們發展的玩意在商業上算是失敗,因為花的時間太久......
https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Three-spool_turbofan_engines |
| USNI |
Posted - 07/25/2019 : 11:47:13
quote:
Originally posted by stall
下一代战术攻击飞机，在强调极致隐身，极致升阻比而不强调敏捷性时。会选择�荍�飞翼，发动机喷口也是固定的2D喷口。然后通过控制外涵道空气非对称地引入喷口来进行矢量控制。这样就可以在飞行中不依赖扰流片等空气动力组件进行偏航控制并保持最佳隐身外形
美國海軍表示"极致隐身"是什麼鬼,能吃嗎? |
| roger011 |
Posted - 07/25/2019 : 11:05:59
前蘇聯也有實用化的三軸技術喔! |
| dasha |
Posted - 07/25/2019 : 08:21:01
昨晚看到有人在吵F-16V的引擎,寫了一小段.
很多人都知道F100/110這個PW與GE的引擎戰爭, 但一般討論這個的其實都是講後半段, 已經是果, 引擎戰爭的因, 其實是早期噴射引擎技術源流的一環.
1940年代是噴射引擎成熟期, 但成熟後要怎樣提高效率? 當時的軸流引擎基本上每級壓縮機的轉速都一樣, 因為燃燒室後方帶動壓縮機旋轉的渦輪, 不管幾級, 都連在同一個軸上, 所以只能以同一個速度轉.
但是, 每級壓縮機碰到的氣流速度與壓力都不同, 而每級渦輪碰到的燃氣速度壓力同樣不同, 只有一個速度, 那就是每一級都要妥協用某個配合其他級的速度轉動, 無法發揮最高效率. 要維持穩定運作這是沒辦法, 但要提高效率, 這就不行.
先提出解答的是英國, PW很快跟上, 那就是讓不同級渦輪與不同級壓縮機連在不同的軸上, 這樣就能讓各級在比較高效率的速度下轉動, 剛開始是二級, 後來出現三級, 但因為同軸線不同級的傳動軸要套在一起, 結構太複雜, 所以只有英國搞出暢銷至今的三軸引擎, PW就停在二軸.
多軸還有個優點, 當大家覺得一部分氣流不需要噴油燒, 而是繞過燃燒室就噴出, 可以冷卻引擎也可以產生推力, 產生同樣推力可以用比較少的油, 讓渦輪扇引擎誕生, 第一級風扇與後面壓縮機的需求差距很大, 真的不適合用同樣轉速, 不同轉速在技術上就比較容易處理.
但GE當時抱持不同想法, 單軸已經證明很穩定了, 效率不佳除了調轉速以外, 還有個方法就是去調葉片攻角, 相對於調轉速迄今也只有到三軸, 還是要由一個軸去控制幾級風扇或壓縮機的轉速, 不能真正達到最高效率, 葉片攻角可以每級都調, 這應該能針對每級壓縮機的需求去調吧? 這理念誕生出的J79, 雖然不是推力最大或最省油的引擎, 但在當時可靠性最高, 所以廣受歡迎.
不過, 單軸調攻角也不適用於渦輪扇, 但渦輪扇省油已經確認, 那GE怎麼辦? 他們就在J79民用版的CJ805-3後面加上旁通風扇與驅動渦輪, 成為非常少見的後置旁通扇設計, 稱為CJ805-23, 想說這樣就可以不用重新設計引擎, 更換套件就可以當新引擎來賣, 省時省錢又方便, 真要有問題應該也只有追加部分有問題, 換那個屁股就好了.
沒想到事情沒這麼簡單, 這個設計確實有超過想像的推力與省油效果, 看到這效果GE就以為研發成功而馬上商用化, 沒仔細驗證的結果, 就是與早產兒一樣, 多重器官衰竭, 問題一個一個接一個......等到問題解決時, 名聲早已掃地, 沒別人用了.
雖然CJ805-23失敗, 但某些角度來說, 其實也驗證了引擎模組化以後, 用同一個高壓壓縮機與燃燒室的核心, 換裝不同低壓段或風扇, 就能用在不同需求的引擎概念, 可行, 這樣未來就不用同時研發七八種引擎去針對十幾種飛機, 研發一種引擎去換裝不同模組就好, 這就是GE15實驗機, 後來J101/F101/F110/F404/CFM56等眾多引擎的來源..
但是, 換上不同低壓段的引擎, 特性還是有差, 很怕熄火或零件破損, 因此GE這次不僅不敢再讓引擎早產, 花很多時間做足功課, 了解所有可能出包的狀況, 還在引擎內準備了一堆感測器, 以及數位控制系統, 觀測到可能出包就馬上依照研發時擬定的策略調整, 這在當時是創舉, 同時也是開創GE15實驗機後代們光榮名聲的主因.
PW同期與英國走同樣路線, 所以TF30也碰上與Spey一樣的熄火問題, 但與CJ805-23比, 這些還算小毛病, 加上TF30因為最早用戶F-111進氣道設計很爛, 有地方推卸責任, 反而沒有GE那樣去徹底研發, 下一款F100, 就一樣會從進氣道噴火, 不需要逆推力裝置自動產生逆推力......
然後, 就接大家都知道的引擎戰爭, 已經商業化的引擎只能頭痛醫頭腳痛醫腳, 不可能讓你回廠重搞10年再上場, PW只好改叫律師處理問題...... |
| stall |
Posted - 11/29/2018 : 10:19:07
下一代战术攻击飞机，在强调极致隐身，极致升阻比而不强调敏捷性时。会选择�荍�飞翼，发动机喷口也是固定的2D喷口。然后通过控制外涵道空气非对称地引入喷口来进行矢量控制。这样就可以在飞行中不依赖扰流片等空气动力组件进行偏航控制并保持最佳隐身外形 |
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