喷气式发动机原理,涡轮喷气发动机是如何产生推力的

2022年01月22日09:57:11喷气式发动机原理,涡轮喷气发动机是如何产生推力的已关闭评论7

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有人认为喷气发动机之所以能产生推力,是因为喷出的气体向后作用到外界的空气上,外界的空气再给它以反作用力,所以产生了推力。这样的论断正确吗?

我们首先要了解,推力是如何产生的。

涡轮喷气发动机推力是气流作用在发动机内、外表面上作用力的合力,它是作用和反作用原理在喷气发动机工作时的一种应用,在其他很多事物上也经常表现出来。

例如,步枪抵在肩上射击,板机一勾、子弹头出膛,子弹壳向后的反作用力传到肩上,就会感到一股力量的冲击。这就是步枪的后座力。

又如人站在小船上向后扔东西,当用力向后抛出物体时,便有一股反作用力推着小船向前走。

花园喷水器工作时,喷水嘴在喷出水的反作用力作用下反向旋转,将水均匀地撒向四周。

甚至动物也有会利用反作用力来向前跑的。海中的乌贼(就是墨鱼)遭到危险时,能从腔内喷出一束墨汁,一方面把水的颜色弄深,一方面提供反作用力向前迅速窜逃。

另外,有两种玩具,也靠反作用力起作用。一种是气球,把气球吹足了气,用手捏紧吹气口,使气体跑不出来,气球内部各个方向的力都是平衡的,这时它静止不动。

如果一放手,气球内部的力失去平衡,气体便膨胀加速从吹气口向外排出,这是气球给了气体一个向后的作用力使气体加速向后流出的,此时,这股流出的气体就有一个大小相等、方向相反的力作用在气球上,使气球向相反的方向飞去(图4-1)。

图4-1、气球的闭口和开口的两种状态

另一种是起花(又名起火),它是固体火箭的雏型。

大约早在十三世纪,我国宋朝的军队就曾经用火箭同侵略者作战,大约十二世纪就有了用火药制造的真正烟火,起花就是其中的一种。

起花中包着火药,点燃后向下高速喷气,这相当于起火有一个很大的向下作用力作用于这股燃烧气体上,使燃烧气体高速向下喷出,与此同时这股喷出的气体就作用于起花一个大小相等的向上的反作用力,使它向上飞去(图4-2)。

图4-2 、起花

以上任何一个例子,都是因为一方面有了作用力,另一方面就产生了反作用力。

也就是说气球或起花对气体施加了作用力,使气体向一个方向喷出去,气体就对气球或起花产生了一个大小相等、方向相反的反作用力,使它向相反的方向跑去,这也是力学中牛顿第三定律的具体运用。

喷气发动机产生推力的基本原理,同上述各个例子完全一样(图4-3)。

图4-3、喷气发动机产生推力的基本原理

假若一台喷气发动机装在地面试车台上,当它工作时,即将远前方静止不动的空气吸入,该股空气被压缩使压力提高,喷入燃料并点火,燃料燃烧产生的热能使燃气的动能增大,以很大的喷射速度(约550~600米/秒)从尾喷口喷出。

也即流过发动机的这股气流经过发动机工作后,速度从零增加到550~600米/秒,根据牛顿第二定律可知,这是由于发动机作用于这股气流有一向后的力才使它的速度增加的。

由牛顿第二定律“作用于物体上的力F,等于物体质量M和它由于受到这个力的作用而在单位时间内产生的速度变量的乘积”,

F =M(V0-V)                             (4-1)

即式中:

F      作用在物体上的力, 牛;

M      单位时间流过发动机气流的质量,公斤/秒;

V0     气流流入发动机的速度, 米/秒,当发动机在地面试车台上时,V0=0;

V     气流流出发动机的速度,米/秒。

再从“两个物体的相互作用力必然是大小相等而方向相反”的牛顿第三定律可知,这股流过发动机的气流必然有作用于发动机上一个与F大小相等、方向相反的反作用力,这就是喷气发动机产生的推力P,且P=-F。

于是推力P的公式变为

P =-F =M(V-V0)                  (4-2)

式中P是喷气发动机的推力(牛)。

从4-2式可看出,喷气发动机每秒喷出的燃气量越多,喷速越高,所产生的推力就越大(图4-4)。这种情况与实验结果和生活实践完全相符。

图4-4、喷气发动机的推力

在这里要着重指出的是:有些人认为喷气发动机之所以能产生推力,是因为喷出的气体向后作用到外界的空气上,外界的空气再给它以反作用力,也就是推力,以此来推动飞机向前飞行,这是一种误解。

实际上如前所述,由于喷气发动机各部件的工作,流过发动机的空气流以很高的速度流出发动机,即发动机作用于这股流过发动机的气流一个很大的向后的力,这股气流即给发动机一个反作用力,这就是发动机的推力。

由此也可以看出,推力是气流作用在发动机内、外表面上的轴向力之和(在某些部件上,轴向力向前,另一些部件上轴向力是向后的),这也就是发动机所产生的推动飞机向前运动的力。

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