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燃气轮机的动力怎么就能那么强悍?

来源:航空知识


文/航小北的日常科普


所谓的燃气轮机,指的就是那些依靠燃气对涡轮做功来提供动力的机械,我们生活中常常会听到涡扇发动机、舰用燃气轮机,实际上都是属于燃气轮机的范畴。而像生活中最常见的燃油汽车发动机,一般都是活塞发动机,跟上面说到的燃气轮机有着本质区别。



↑舰用燃气轮机↑



↑航空燃气轮机↑


虽然应用广泛,但是燃气轮机这种动力机械有一个致命弱点:他们几乎都是油老虎,比如说正常的航空燃气发动机总效率只是在10%-20%左右,而活塞发动机的总效率却很容易就做到40%以上。这就意味着,使用燃气轮机时消耗燃料的速度往往要用超过活塞发动机一倍以上。


可是为什么“油老虎”的燃气轮机却好好地用在飞机、舰船上呢?难道不怕费油吗?


强大的功率密度



虽然燃气轮机往往都是油老虎,但是它们有一项技能却是活塞发动机绝对达不到的:那就是极为强大的功率密度。就是说,同样的重量、体积下,燃气轮机能够产生的功率会远远超过活塞发动机。其实我们只要举一个例子就好了。下面这是一台B&W 12S90ME-C Mark 9.2活塞发动机,它重达1800吨,高17.2m,长59.0米,功率大概在98000马力。



↑小山一样的活塞发动机↑

而下面这台发动机是在图-95轰炸机上使用的NK-12型涡桨发动机,这台发动机的马力大概在15000马力左右,而一架图-95发动机需要四台NK-12涡桨发动机,共计60000马力。换句话说,刚刚说到的那一台1800吨重活塞发动机产生的功率也就只够一架图-95发动机上天,第二架都送不上去。



↑NK-12型涡桨发动机↑

而一台NK-12型涡桨发动机多重呢?3吨。想要产生跟刚刚那台活塞发动机一样的功率,只要7台涡桨发动机排排站就行了,一共就是20吨出头的重量。功率一样,活塞发动机和燃气轮机的重量比是1800吨:20吨,这就是燃气轮机在功率密度上的巨大优势——所以你知道为什么飞机上会使用燃气轮机了吧?


为什么燃气轮机会有那么强大的功率密度?


既然我们知道了燃气轮机在功率密度上的巨大优势,那么到底是什么原因才让燃气轮机有这样强大到没朋友的功率密度呢?


我们先来看一个物理公式:P=Fv


这个公式是所谓的做功公式,P代表功率,F代表力,v代表速度。


这个公式放到活塞发动机、燃气轮机这样的工质发动机中,它的意义就是这样的:燃气膨胀时会对机械产生一个力F,这个F会驱动机械中的某个构件以速度v运动,于是燃气对机械所做的功的大小P就是力F和速度v的乘积。想要发动机有更大的功率,要怎么做呢?答案就是:增大力F,或者增大运动速度v。比如说活塞发动机中就是燃气驱动活塞运动做功,从而将燃料的热能转化成机械能,驱动发动机转动,燃气作用在活塞上的力F和活塞的运动速度v就分别对应了上面公式中的F和v。




↑燃气驱动活塞运动从而将燃料的热能转化为机械能↑

于是我们就要问了:为什么就偏偏不能让活塞发动机中的力F和运动速度v变得更大呢?而解释了这个问题,我们就可以真正明白,为什么燃气轮机会有那么大的功率密度。


静力与“动”力的区别


之所以燃气轮机中的结构可以承受更大的力,而活塞发动机做不到,不是因为材料,也不是因为成本,而是因为这两种机械存在一个本质上的区别:燃气轮机运动的构件承受的是静力,而活塞发动机的活塞承受的是“动”力。





↑燃气驱动燃气发动机转子转动↑

下图就是燃气驱动燃气轮机的转子转动的动图,而我们以涡轮叶片为例,分析一下它的受力,就会发现,主要受到的就是气动力和离心力两类载荷,当发动机在稳定工作的时候,这些载荷的大小和方向是不会改变的。



↑涡轮叶片的受力↑

相反,即便是在稳定工作的状态下,活塞发动机中的活塞和连接活塞的连杆受到的依然是一个忽大忽小的力,学名叫做“交变力”。其实说到这里,相信有的朋友就能够明白了。同样一个物体,当它受恒定力的情况下,只有这个力非常大的时候,才能够破坏这个物体的结构。相反,如果这个力是交变力,那么你要非常小心地控制这个力的大小,稍微大一点点,不等变化几次,这个物体就坏掉了。比如说一根钢筋,你想要生生把它掰断,非常难,但是如果你反复来回地掰它,可能没有几次它就会断开。

换言之:这根钢筋如果承受的是静力,那么它能够承受100N的力,那么如果改让它承受交变力,那么这个交变力的极值最多也就是一个零头。所以,哪怕燃气轮机和活塞发动机都用一样的材料来制作,因为受力的方式不同,两者能够承受的力也不在一个级别上。而说的稍微学术一点儿:燃气轮机是“连续做功”,而活塞发动机是“非连续做功”,所以必然会在功率密度上有着本质的区别。当然了,说燃气轮机中的活动构件——转子,受的是静力,也不是很准确,考虑到工况的变化和自身结构产生的振动,转子各个结构往往受到的也往往是“交变力”,但是这个受力变化的幅度却要小很多,所以并不会改变燃气轮机结构的受力特点,而关于振动问题,如果大家感兴趣,可以以后慢慢讲。

结论:

总结一下吧,之所以燃气轮机会有如此惊人的功率密度,最主要的就是因为它是一种“连续做功”的动力装置,所以它的载荷可以非常高,这就是这个问题最本质的原因。


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