升力风扇的工作原理是什么

Question

介绍一下升力风扇的工作原理是什么。

Answer 1

飞行需要动力，使飞机前进，更重要的是使飞机获得升力。早期飞机通常使用活塞发动机作为动力，又以四冲程活塞发动机为主。这类发动机的原理如图，主要为吸入空气，与燃油混合后点燃膨胀，驱动活塞往复运动，再转化为驱动轴的旋转输出.

单单一个活塞发动机发出的功率非常有限，因此人们将多个活塞发动机并联在一起，组成星型或V型活塞发动机。下图为典型的星型活塞发动机。

现代高速飞机多数使用喷气式发动机，原理是将空气吸入，与燃油混合，点火，爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。下图的发动机剖面图里，一个个压气风扇从进气口中吸入空气，并且一级一级的压缩空气，使空气更好的参与燃烧。风扇后面橙红色的空腔是燃烧室，空气和油料的混和气体在这里被点燃，燃烧膨胀向后喷出，推动最后两个风扇旋转，最后排出发动机外。而最后两个风扇和前面的压气风扇安装在同一条中轴上，因此会带动压气风扇继续吸入空气，从而完成了一个工作循环。

涡轮喷气发动机
这类发动机的原理基本与上面提到的喷气原理相同，具有加速快、设计简便等优点。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。

涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机吸入的空气一部分从外部管道(外涵道)后吹，一部分送入内涵道核心机(相当于一个纯涡喷发动机)。最前端的“风扇”作用类似螺旋桨，通过降低排气速度达到提高喷气发动机推进效率的目的。同时通过精确设计，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，同样解决了排气速度过快的问题，从而降低了发动机的油耗。由于该风扇设计要兼顾内外涵道的需要，因此难度远大于涡喷发动机。

冲压喷气发动机
此类发动机没有风扇等器件，完全靠高速飞行时产生的冲压效应压缩吸入的空气，点火、燃烧、后喷等原理。因此其优点为结构简单、体积小、推力大、加速快。缺点是需要外部能源进行启动(通常为火箭助推)，不适合循环使用。

涡轮风扇喷气发动机的诞生

二战后，随着时间推移、技术更新，涡轮喷气发动机显得不足以满足新型飞机的动力需求。尤其是二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机，飞行速度要求达到高亚音速即可，耗油量要小，因此发动机效率要很高。涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求，使得上述机种的航程缩短。因此一段时期内出现了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。

实际上早在30年代起，带有外涵道的喷气发动机已经出现了一些粗糙的早期设计。40和50年代，早期涡扇发动机开始了试验。但由于对风扇叶片设计制造的要求非常高。因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。

50年代，美国的NACA(即NASA 美国航空航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要的科研工作。55到56年研究成果转由通用电气公司(GE)继续深入发展。GE在1957年成功推出了CJ805-23型涡扇发动机，立即打破了超音速喷气发动机的大量纪录。但最早的实用化的涡扇发动机则是普拉特？惠特尼(Pratt & Whitney)公司的JT3D涡扇发动机。实际上普？惠公司启动涡扇研制项目要比GE晚，他们是在探听到GE在研制CJ805的机密后，匆忙加紧工作，抢先推出了了实用的JT3D。

1960年，罗尔斯？罗伊斯公司的“康威”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用，成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。60年代洛克西德“三星”客机和波音747“珍宝”客机采用了罗？罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机，标志着涡扇发动机的全面成熟。此后涡轮喷气发动机迅速的被西方民用航空工业抛弃。

涡轮风扇喷气发动机的原理

涡桨发动机的推力有限，同时影响飞机提高飞行速度。因此必需提高喷气发动机的效率。发动机的效率包括热效率和推进效率两个部分。提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比，就可以提高热效率。因为高温、高密度的气体包含的能量要大。但是，在飞行速度不变的条件下，提高涡轮前温度，自然会使排气速度加大。而流速快的气体在排出时动能损失大。因此，片面的加大热功率，即加大涡轮前温度，会导致推进效率的下降。要全面提高发动机效率，必需解决热效率和推进效率这一对矛盾。

涡轮风扇发动机的妙处，就在于既提高涡轮前温度，又不增加排气速度。涡扇发动机的结构，实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮，这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样，送进压气机(术语称“内涵道”)，另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)。因此，涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。这时，为提高热效率而提高涡轮前温度，可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，从而避免大幅增加排气速度。这样，热效率和推进效率取得了平衡，发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低，飞机航程变得更远。
加力式涡扇发动机

不加力式涡扇发动机

如前所述，涡扇发动机效率高，油耗低，飞机的航程就远。

但涡扇发动机技术复杂，尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道，是极大的技术难题。因此只有少数国家能研制出涡轮风扇发动机，中国至今未有批量实用化的国产涡扇发动机。涡扇发动机价格相对高昂，不适于要求价格低廉的航空器使用涡轮喷气发动机的诞生

二战以前，活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就，使得人类获得了挑战天空的能力。但到了三十年代末，航空技术的发展使得这一组合达到了极限。螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减。螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高。同时随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也会减小。

这促生了全新的喷气发动机推进体系。喷气发动机吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，对发动机产生反作用力，推动飞机向前飞行。

早在1913年，法国工程师雷恩？洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，喷气推进只是一个空想。1930年，英国人弗兰克？惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。11年后他设计的发动机首次飞行，从而成为了涡轮喷气发动机的鼻祖。

涡轮喷气发动机的原理

涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。

涡喷发动机属于热机，做功原则同样为：高压下输入能量，低压下释放能量。

工作时，发动机首先从进气道吸入空气。这一过程并不是简单的开个进气道即可，由于飞行速度是变化的，而压气机对进气速度有严格要求，因而进气道必需可以将进气速度控制在合适的范围。

压气机顾名思义，用于提高吸入的空气的的压力。压气机主要为扇叶形式，叶片转动对气流做功，使气流的压力、温度升高。

随后高压气流进入燃烧室。燃烧室的燃油喷嘴射出油料，与空气混合后点火，产生高温高压燃气，向后排出。

高温高压燃气向后流过高温涡轮，部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，驱动涡轮旋转。由于高温涡轮同压气机装在同一条轴上，因此也驱动压气机旋转，从而反复的压缩吸入的空气。

从高温涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从尾部喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，从而产生
了对发动机的反作用推力，驱使飞机向前飞行

Answer 2

垂直／短距起降飞机因其独特的性能而备受各国军方的青睐。但其技术复杂，目前只有美英等极少数 国家才有独立研发的能力。这里有一种相对简单的、以气动升力风扇为基础而描绘的中国未来垂直／短距起降飞机之构想，有兴趣的网友不妨与我一起探讨其技术可行性。 [ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]首先大致介绍一下各国垂直／短距飞机升力系统的结构以及气动升力风扇的基本情况。英国著名的“鹞”式及其改型AV-8设有4个转向喷管，通过调节喷管的方向可以实现飞机的垂直升降与平飞；俄国的雅克－38采用的是复合升力结构，由一台垂直安装于飞行座舱后的专用喷气升力发动机与主发动机一起构成垂直升力系统；美国的JSF在性能上是最为先进。以洛克希德公司X-35为例，其垂直升力系统是由一组升力风扇和一台喷管可转向主发动机共同构成。升力风扇垂直安装于飞行座舱后部，为二级正反转结构，由主发动机通过传动轴驱动。风扇的直径为1.27米，最大空气流量为227千克／秒，可产生81.8千牛(约8吨)的推力。在垂直升降过程中，主发动机喷口下转90°与升力风扇共同工作，两者相加的垂直上升推力约为16吨，可保证总重14吨飞机垂直升降。 与上述系统相比，气动升力风扇要简单得多。所谓气动风扇就是由小型喷气装置为驱动动力的风扇。其工作原理是：在风扇的外围设置若干个以过氧化氢为燃料的单组元小型喷气装置，当这些喷气装置工作时便会驱动风扇高速旋转，从而产生强大的推力。现在与这种气动风扇相类似的系统已在实际试验当中，如美国有一种名为“旋子”的单级重复使用火箭就是利用气动旋翼垂直着陆回收的。这种火箭的头部安装有从直升机上移植的四叶旋翼，当火箭再入大气层时先用展开的旋翼以自旋的方式控制落速与落点，快接近地面时位于翼尖上的过氧化氢喷气装置启动，推动桨叶快速旋转从而使火箭象直升机那样平缓地垂直着陆。这种气动旋翼的效率很高，目前喷气装置以640公斤的推力驱动螺旋桨可使4.5吨的火箭样机上升到4000米高空，将来适当增加喷气装置的功率还可以保证重达15吨重火箭实体安全着陆。若气动升力风扇的直径为1米左右、喷气装置的功率适当，则其推力也有望达到5－10吨左右。很明显，与传统的机械发动机和机械传动系统相比，气动风扇系统要简单得多、重量也要轻得多；不过气动风扇缺点也很突出：燃料消耗太大，只可短时间使用。所幸的是垂直／短距起降飞机的升力发动机工作时间很短，只有几分钟，这就为气动升力风扇的实际应用提供了可能。 下面就以气动风扇为基础，对中国未来垂直短距起降飞机的情况作些描画。 1.垂直起降型，暂称歼－10X。歼－10X的升力布局与美国JSF／X－35基本相同，由一台喷管可转向主发动机与一组气动升力风扇共同提供垂直升力。歼－10X的气动风扇也为两级正反转结构并垂直安装于飞行座舱后部，其直径为1米左右，推力在5～10吨之间。歼－10X与X－35的区别仅在于：X－35的风扇是由主发动机通过传动轴驱动，而歼－10X的风扇是由喷气装置直接驱动。歼－10X的气动风扇不仅技术更简单、更轻巧，而且它的推力有更大的增长空间：因为它不受主发动功率的制约，理论上只要增加喷气装置的功率就可增加气动风扇的推力，而且喷气装置喷出的高速气体经筒壁折射后会高速冲击风扇叶面，这也会产生相应的附加升力，直至于和主发动机最大推力相等(X－35的风扇推力最大只能是主发动机的1／2)。这就为发展全载重垂直起降飞机提供了可能！尽管气动风扇优点显著，但其缺点上面已经提过：燃料消耗太大。以过氧化氢喷气装置为例，若其推力为640公斤，按1700米／秒的比冲计算，1秒钟就要消耗近4公斤过氧化氢，5分钟就是1200公斤。所以除非必要，歼－10X最好是采用滑跑起飞－垂直着陆的方式进行起降作业。虽然若用过氧化氢／航空煤油之类双组元喷气系统则会相应减少燃料消耗，但是这会增加系统的复杂性。不过有一种方案更能节省燃料，并且有更佳的实用性能这就是── 2.超短矩起降飞机，暂称歼－12X。歼－１２Ｘ的动力系统由一台或两台主发动机与一组带伸缩式矢量喷管的升力发动机构成。主发动机不要求具备矢量转向喷管，歼－１２Ｘ的重点是气动风扇。此型气动风扇的 结构与歼－１０Ｘ相同，只是多了个伸缩式矢量喷管。当气动风扇工作时喷管放出并可作前后９０度摆动，不工作时则收于机腹之中。下面来以歼－１２Ｘ的起飞、降落过程具体展示其动力系统的运作。 [ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]1)起飞过程：飞行员将气动风扇的喷管后转90°，使之与主发动机喷管呈平行状态，接着让主发动机和气动风扇以最大推力工作、松刹车；飞机滑出40～50米后飞行员拉杆，气动风扇的喷管便随之转向与地面成近乎垂直状态(60°～80°)。在气动风扇强大的垂直推力的作用下机头快速抬起；待机头角度达到一定值时飞行员回杆，气动风扇喷管回位至一定角度，在保持飞机既定攻角的同时与主发动机形成一股强大的上升合力，飞机瞬间便可立地而起；等飞机速度达到安全值时飞行员关闭气动风扇并收起风扇喷管和起落架，起飞过程完成。2)降落过程：飞行员驾机以下滑曲线飞向跑道。当速度低于200～240公里／小时、机翼升力不足或快要消失时启动气动风扇；对主发动机推力和气动风扇的推力进行调节(气动风扇的垂直推力主要是通过改变喷管的角度实现的)，使之形成一股大小、角度适当的升力并以此抵消飞机的下沉作用，最后使飞机以几十公里／小时低速度着陆，快速将气动风扇喷管向前偏转90°，强大的反推作用使飞机在几十米内的距离内停住。 从歼－12X起降过程的演示可以看出其性能的卓越：①近乎于垂直起降。几十米的起飞、降落距离和几十公里／小时的起飞、着陆速度是普通飞机根本无法比拟的。②气动风扇工作时间短，起降总耗时只有2分钟左右，可以节省大量燃料。③不要求主发动机和气动风扇的推力均衡，因而可以让主发动机以最大加力状态工作，可增加其起飞载弹量／载油量。④极适合在航母上使用。若从航母滑路起飞，歼－12X可以携带更多的燃油和弹药，即便飞机离舰速度很低、即便飞机的推重比可能小于1，但这也没有什么关系：因为气动风扇的强大推力抵消了飞机的沉降作用，使得主发动机可以从容地给飞机加速。由于降落速度小，飞机几乎不需要拦阻索，即便使用也会使拦阻过载大大降低。 为实现超短距起降，相应的技术条件则是必不可少的。首先，气动风扇与主发动机的合力要大于飞机的起飞重量，即飞机的起飞推重比要大于1(如果是滑跃起飞，推重比可以适当降低)；其次，气动风扇的推力要足够大，要具备让飞机原地抬头的能力；再次，要有可靠、完善的电传操作系统，因为歼－12X的操纵面和操作要素很多，仅靠飞行员手工无法完成，只能借助于高度自动化的电传系统；另外，矢量喷管的控制要很灵活。因为风扇的垂直推力大小主要是通过改变喷管角度来实现的；还有，飞机不适宜采用机腹进气布局，最好是采用两侧进气。 除了在上述有人驾驶垂直／短距起降飞机上应用外，气动风扇还可用来发展无人型垂直／短距起降飞机。无人机在未来高技术战争中将占有极为重要的地位，而垂直起落型无人机则更是各国发展的重点。无人机成本低廉，若中国打算发展气动风扇技术的话可以先从无人型垂直起落飞机入手，待相关技术成熟、可靠之后再移植到有人垂直／短距起降飞机上。气动风扇还可作为一种短时增升／增力设备为某些特种飞机所选用。 若上述各型垂直／短距起降飞机研发成功的话，其积极意义将无需多言：中国又增加了一柄克敌制胜的利剑；将这些装备输出到国外不仅可以获取高额利润，还可给广大中小国家对抗强权提供了一种有力的保证：垂直起降飞机对机场依赖不大，不会被一举消灭在机场；垂直短距起降飞机还将大幅降低航母的技术门槛，为中国规模化地发展航母作战群创造更加有利的条件……总之，前景一片美好！但是，以上仅是美好的展望，这一切均建立在这样一个前提：气动风扇的技术可行且可以投入实用！

Answer 3

升力风扇有自己的进气道，在飞机背部，并没有分流发动机的燃气。驱动升力风扇的动力来自于低压涡轮，通过对气流做功，使其压力增大，通过一个喷管将压力能转变为动能向下喷出，产生反冲推力。

Answer 4

气流流动产生升力