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第十五章 核心机 结构选择

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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。

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