第七十三章 航发总体设计(下)
菲利普笑道:“有了压力P、体积V、温度T,气体的状态也就基本确定了,航空发动机的总体性能方案设计,也就是千方百计利用这三个量之间的关系,诱使空气分子们多干活、少吃饭。但在具体讨论总体性能方案之前,还有两个最基本的问题需要解决,那就是如何吸气、如何喷气。对于吸气,你空气分子不愿意主动进来,那就拉你一把。”
一名工程师问道:“咱们是通过压气机吸入空气吧?”
菲利普点点头道:“没错!压气机的多级风扇,就是个诱拐空气分子的帮凶,洞悉分子们喜欢大房子的特点,简简单单就把人骗进来了。少年,你想拥有自己的房子吗?你想鸽子笼变行宫吗?那就进来看看吧!通过风扇的高速旋转,大量的空气被甩向后方,造成风扇附近的空气分子越来越少,也就是空房无人入住!于是远处的分子们纷纷前来改善住房条件,没想到刚跑过来就被扔进后面的黑工厂当牛做马。就这样,吸气问题简简单单搞定。”
另一名工程师又好奇地问道:“可是喷气是怎么一回事呢?”
菲利普继续道:“喷气问题的解决有些麻烦。喷气发动机必须喷出高速气体才能产生推力,但这必须依赖较高的压比条件,内部压力与外界压力的比值越大,喷气的速度就越高。然而,内部压力是不会凭空升高的,必须要有一个费力压缩的过程。为使发动机内部压力增大,必须使用压气机。在大蒲扇一样的压气机叶片强力扇动下,空气分子们被迫往后走。而压气机流道又被设计成前高后低的样子,叶片也一级比一级短,于是越往后走越拥挤,最终达到增压的目的。其实从这一角度来说,最前面的风扇也是一个压气机。只不过从用途来说,风扇的主业是把空气分子们诱拐进来,主要的压缩过程是由后面的增压级和高压压气机实现的。”
比利想了想又问道:“那么咱们的总体设计到底是从哪里开始呢?”
菲利普认真道:“喷气发动机的工作过程是一个不停吸气-压缩-燃烧-膨胀-喷气的循环。空气分子们从大气中来,又最终混入大气,真是尘归尘,土归土,因果循环。也因此这一点,发动机各部件、流道各截面的压力、温度、流量等循环参数选取就是喷气发动机的整体方案设计开始的。比如根据现有技术水平,最终设计出的压气机效率很可能比较低,那么没办法,把高压涡轮的效率指标向上抬一抬,或者温度再提高个十度二十度的。经过各种取舍和平衡,就得到了整个工作循环的关键参数,涵道比、总压比、推力、耗油率、高低压轴转速,以及各部件的性能参数,如流量、温度、效率、压比等。根据这些参数,还可以继续计算出发动机整个流道的大概尺寸框架,即初步流道。有了初步流道,有了各部件需要达到的性能指标,终于可以发给各专业进行具体设计了呢。”
梅塞施密特听得感慨道:“没想到这种喷气发动机看起来比活塞发动机结构还要简单,但是设计起来却要复杂得多,没有全面的理论知识根本不可能完成一台喷气发动机的设计呀!”
菲利普连声应和道:“是呀!为了保证总体指标达标,涡轮效率低了,压气机就要高。进气道一家霸道了,后面的部件都要倒霉——这时候,争吵就不可避免了,地主家也没有余粮啊,凭啥分给它的指标这么低?我们专业也难啊!在这种压跷跷板的过程中,总体方案的设计师们必须学会带着镣铐跳舞,学会在钢丝上找平衡。”
顿了顿,菲利普继续道:“其实,战战兢兢走钢丝的情形未必全部发生在指标分配环节,后续的设计过程也难以避免。比如部件设计完成后进行的整机加减速控制规律设计,那就是典型的左右打脸型工作。油加猛了,用力过度,加速工作线直接奔着喘振区或者超温超转区去了,很可能造成涡轮超温,或者直接把压气机搞喘了。油缓缓地加,发动机倒挺安全,加速时间太长,复飞时飞机都要坠地了你推力还没升上去呢,更要命!同样的,减速时收油太快,工作线一头扎进贫油区,燃烧室直接熄火罢工了。减慢点呢,飞行员又不干了,跑道就那么长,我刹车都用上了,你推力一直这么大是什么意思?!”
比利一脸的苦笑:“那咱们以后的道路还真是漫长而曲折呀!”
菲利普点点头道:“没错!别看我说来头头是道。但是我只是理论上比你们要知道得多一点儿。最后真正要靠的,还是你们这些工程师呀。当然,成功总是曲折的。很可能部件设计后个别指标确实达不到,那就要拿来进行整机性能匹配评估,如果评估后发现飞机的要求还是能达到的,那局部的不达标也只能捏着鼻子认了,所以做总体方案时会留点裕度了!评估后不满足飞机要求?呵呵,走好不送!这台发动机也就只能送到废物仓库或是航空博物馆去了。”
梅塞施密特拍了拍菲利普的肩膀道:“菲利普,你真是给我们上了一堂生动的课啊!我想今天在场的各位,包括我,收获都是巨大的。听你这么一说,我决定这个喷气发动机再难,我们也要搞出来!不但要搞出来,我们还要抢在英国人前面,最近我得到消息,咱们德国政府要成立航空部,听说还要定期举办航空竞赛,我想咱们的飞机要是能在这个竞赛上面取得冠军,名气就会越来越大,将来的发展也就会更快更好。”
菲利普惊讶地道:“要成立航空部?这么快呀!我想有了涡轮增压器和变矩螺旋桨,咱们的M20运输机也能在竞赛上大放光彩吧?”
梅塞施密特点点头道:“对,我想咱们受到的限制可能会慢慢放开,所以将来研制战斗机也不是不可能了!”
菲利普心里暗道:德国航空部不是1933年才成立的吗?现在不过是1931年秋,难道说这个时空的历史改变了?不会是因为自己穿越过来,引起了蝴蝶效应吧?那么,二次世界大战会不会发生呢?还有希特勒又会不会是原来那个希特勒呢?
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一名工程师问道:“咱们是通过压气机吸入空气吧?”
菲利普点点头道:“没错!压气机的多级风扇,就是个诱拐空气分子的帮凶,洞悉分子们喜欢大房子的特点,简简单单就把人骗进来了。少年,你想拥有自己的房子吗?你想鸽子笼变行宫吗?那就进来看看吧!通过风扇的高速旋转,大量的空气被甩向后方,造成风扇附近的空气分子越来越少,也就是空房无人入住!于是远处的分子们纷纷前来改善住房条件,没想到刚跑过来就被扔进后面的黑工厂当牛做马。就这样,吸气问题简简单单搞定。”
另一名工程师又好奇地问道:“可是喷气是怎么一回事呢?”
菲利普继续道:“喷气问题的解决有些麻烦。喷气发动机必须喷出高速气体才能产生推力,但这必须依赖较高的压比条件,内部压力与外界压力的比值越大,喷气的速度就越高。然而,内部压力是不会凭空升高的,必须要有一个费力压缩的过程。为使发动机内部压力增大,必须使用压气机。在大蒲扇一样的压气机叶片强力扇动下,空气分子们被迫往后走。而压气机流道又被设计成前高后低的样子,叶片也一级比一级短,于是越往后走越拥挤,最终达到增压的目的。其实从这一角度来说,最前面的风扇也是一个压气机。只不过从用途来说,风扇的主业是把空气分子们诱拐进来,主要的压缩过程是由后面的增压级和高压压气机实现的。”
比利想了想又问道:“那么咱们的总体设计到底是从哪里开始呢?”
菲利普认真道:“喷气发动机的工作过程是一个不停吸气-压缩-燃烧-膨胀-喷气的循环。空气分子们从大气中来,又最终混入大气,真是尘归尘,土归土,因果循环。也因此这一点,发动机各部件、流道各截面的压力、温度、流量等循环参数选取就是喷气发动机的整体方案设计开始的。比如根据现有技术水平,最终设计出的压气机效率很可能比较低,那么没办法,把高压涡轮的效率指标向上抬一抬,或者温度再提高个十度二十度的。经过各种取舍和平衡,就得到了整个工作循环的关键参数,涵道比、总压比、推力、耗油率、高低压轴转速,以及各部件的性能参数,如流量、温度、效率、压比等。根据这些参数,还可以继续计算出发动机整个流道的大概尺寸框架,即初步流道。有了初步流道,有了各部件需要达到的性能指标,终于可以发给各专业进行具体设计了呢。”
梅塞施密特听得感慨道:“没想到这种喷气发动机看起来比活塞发动机结构还要简单,但是设计起来却要复杂得多,没有全面的理论知识根本不可能完成一台喷气发动机的设计呀!”
菲利普连声应和道:“是呀!为了保证总体指标达标,涡轮效率低了,压气机就要高。进气道一家霸道了,后面的部件都要倒霉——这时候,争吵就不可避免了,地主家也没有余粮啊,凭啥分给它的指标这么低?我们专业也难啊!在这种压跷跷板的过程中,总体方案的设计师们必须学会带着镣铐跳舞,学会在钢丝上找平衡。”
顿了顿,菲利普继续道:“其实,战战兢兢走钢丝的情形未必全部发生在指标分配环节,后续的设计过程也难以避免。比如部件设计完成后进行的整机加减速控制规律设计,那就是典型的左右打脸型工作。油加猛了,用力过度,加速工作线直接奔着喘振区或者超温超转区去了,很可能造成涡轮超温,或者直接把压气机搞喘了。油缓缓地加,发动机倒挺安全,加速时间太长,复飞时飞机都要坠地了你推力还没升上去呢,更要命!同样的,减速时收油太快,工作线一头扎进贫油区,燃烧室直接熄火罢工了。减慢点呢,飞行员又不干了,跑道就那么长,我刹车都用上了,你推力一直这么大是什么意思?!”
比利一脸的苦笑:“那咱们以后的道路还真是漫长而曲折呀!”
菲利普点点头道:“没错!别看我说来头头是道。但是我只是理论上比你们要知道得多一点儿。最后真正要靠的,还是你们这些工程师呀。当然,成功总是曲折的。很可能部件设计后个别指标确实达不到,那就要拿来进行整机性能匹配评估,如果评估后发现飞机的要求还是能达到的,那局部的不达标也只能捏着鼻子认了,所以做总体方案时会留点裕度了!评估后不满足飞机要求?呵呵,走好不送!这台发动机也就只能送到废物仓库或是航空博物馆去了。”
梅塞施密特拍了拍菲利普的肩膀道:“菲利普,你真是给我们上了一堂生动的课啊!我想今天在场的各位,包括我,收获都是巨大的。听你这么一说,我决定这个喷气发动机再难,我们也要搞出来!不但要搞出来,我们还要抢在英国人前面,最近我得到消息,咱们德国政府要成立航空部,听说还要定期举办航空竞赛,我想咱们的飞机要是能在这个竞赛上面取得冠军,名气就会越来越大,将来的发展也就会更快更好。”
菲利普惊讶地道:“要成立航空部?这么快呀!我想有了涡轮增压器和变矩螺旋桨,咱们的M20运输机也能在竞赛上大放光彩吧?”
梅塞施密特点点头道:“对,我想咱们受到的限制可能会慢慢放开,所以将来研制战斗机也不是不可能了!”
菲利普心里暗道:德国航空部不是1933年才成立的吗?现在不过是1931年秋,难道说这个时空的历史改变了?不会是因为自己穿越过来,引起了蝴蝶效应吧?那么,二次世界大战会不会发生呢?还有希特勒又会不会是原来那个希特勒呢?
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