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說起槳扇發(fā)動機,就不得不提到安70運輸機。 安70是由烏克蘭安東諾夫航空科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體(原安東諾夫設(shè)計局)設(shè)計制造的四引擎戰(zhàn)術(shù)運輸機,也是世界上載重最大的渦輪槳扇運輸機。
安-70最獨特而先進之處是它的4臺進步Д-27發(fā)動機和CV-27對轉(zhuǎn)槳扇。槳扇發(fā)動機是界乎于螺旋槳和渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機之間的一種新穎的高亞音速空氣動力推進方式,其特點是通過噴氣發(fā)動機驅(qū)動大翼面的多片槳葉,獲得比傳統(tǒng)螺旋槳或噴氣發(fā)動機更好的推進性能,尤其在提高效率、節(jié)省燃油方面效果顯著。單臺Д-27發(fā)動機功率為10440千瓦,由雙轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器和CV-27雙排槳扇組成的先進槳扇發(fā)動機。CV-27槳扇直徑4.49米,一臺發(fā)動機上的槳扇共14葉,布局獨特,分前后兩組,前面一組8葉,后面6葉;兩組槳葉工作時反轉(zhuǎn)。槳葉氣動外形獨特,呈彎月狀,類似于潛艇的大傾角槳葉,具有極高的推進效率。
安-70總重達47噸,能飛行8000公里。載重能力與美國C-141運輸機相近。速度750千米/小時(接近螺旋槳驅(qū)動的飛機的速度極限),可執(zhí)行各種高度的空投任務(wù),能空投重達20噸的單件物品,也可以運載300名全副武裝的士兵或206名傷病員。安-70能夠空載在200米長的機場跑道上起降,還可以運載20噸重的有效載荷在的600~700米的野戰(zhàn)跑道上起降。綜合性能相當優(yōu)異,經(jīng)濟效益也不錯,可惜因種種原因項目研發(fā)已經(jīng)中止。
槳扇發(fā)動機就是渦槳發(fā)動機的有一種變形版本,在外觀上最直接的不同就是它的螺旋槳在發(fā)動機的后邊而不是渦槳發(fā)動機那樣在前邊,這時候槳葉就不再作為壓縮空氣設(shè)備使用了,進入燃燒室的空氣依然依靠壓縮機提供,而燃燒室的渦輪葉片還要負責(zé)帶動外邊的槳葉。這種設(shè)計的好處是省略了傳統(tǒng)渦槳發(fā)動機的一些關(guān)鍵部件,大大降低了各種成本是經(jīng)濟性更好的航空發(fā)動機。
在渦槳發(fā)動機上壓縮機和槳葉之間依靠“減速器”和“聯(lián)動軸”聯(lián)動,質(zhì)量笨重生產(chǎn)困難雖然節(jié)省了燃油開支卻增加了維護成本,而槳葉直接連接在燃燒室的渦輪葉片上就完全沒有以上考慮了;更重要的是渦輪葉片的轉(zhuǎn)速遠比壓縮機葉片快,在沒有減速器的情況下槳葉可以轉(zhuǎn)動的更快,進而產(chǎn)生更大的推力,根據(jù)能量守恒原理沒有減速器就沒有能量浪費,因此槳扇發(fā)動機更加省油。很多軍迷不知道渦槳、槳扇發(fā)動機的誕生都是英國思路的產(chǎn)物。
最早的噴氣式發(fā)動機生產(chǎn)國是英國和德國,德國拿出了ME262噴氣戰(zhàn)機、英國拿出了流星噴氣戰(zhàn)機。兩者發(fā)動機存在很大區(qū)別,雖然基本的結(jié)構(gòu)都是“燃燒室”加上“渦輪葉片”,但是德國側(cè)重于增加渦輪葉片的數(shù)量進而增加推力,這樣的設(shè)計使得發(fā)動機很狹長;而英國設(shè)計側(cè)重于增加發(fā)動機渦輪的尺寸,也就是增大燃燒室的直徑來提高推力,發(fā)動機越來越胖。德國的設(shè)計思路在今天早已經(jīng)不再流行,因為它的推力提高空間十分有限。
而英國人的設(shè)計思路大受歡迎,戰(zhàn)后的技術(shù)人員先是在發(fā)動機前面增加空氣壓縮機提高進氣量來增加推力,后來又通過擴大涵道比增加推力,后者和英國航空發(fā)動機發(fā)展思路如出一轍,并最終推動渦槳發(fā)動機的誕生,渦槳發(fā)動機雖然沒有增加渦輪葉片的直徑,卻增加了壓縮機的直徑效果都是一樣的,而槳扇發(fā)動機就是為了彌補渦槳發(fā)動機槳葉不能無限擴大的弊端,在提高螺旋槳的轉(zhuǎn)速上進一步提高推力,因此還算是英國噴氣發(fā)動機家族的一員。
槳扇發(fā)動機是一種渦輪發(fā)動機,英文名稱為Propfan,其結(jié)構(gòu)類似于渦扇發(fā)動機,但是沒有風(fēng)扇涵道。風(fēng)扇位于發(fā)動機短艙外部,由渦輪直接驅(qū)動,這和渦扇發(fā)送機相似。在外形上看,槳扇發(fā)動機和渦槳發(fā)動機類似,但是渦槳發(fā)動機的螺旋槳由渦輪通過減速器帶動,槳扇和渦輪之間沒有減速器。
世界上最早的槳扇發(fā)動機是Metrovick F.5型,能輸出4710磅,早在1946年便已問世。然而技術(shù)和效率的滯后導(dǎo)致槳扇發(fā)動機始終無法商業(yè)應(yīng)用。通用電氣在F404軍用渦扇的基礎(chǔ)上研發(fā)出了GE36,其為實驗飛機提供動力,雖然也沒有進行商業(yè)化運營,但是其新技術(shù)的應(yīng)用被擴展到后續(xù)的發(fā)動機中。在實際應(yīng)用中,槳扇發(fā)動機和渦扇發(fā)動機的速度和性能相近,經(jīng)濟效益和渦槳發(fā)動機類似。
由于槳扇發(fā)動機和渦輪之間缺乏減速器,槳扇的螺旋槳轉(zhuǎn)速非常高,所以螺旋槳的葉片形狀和渦槳發(fā)動機的螺旋槳有較大迥異。有的槳扇發(fā)動機甚至采用雙渦輪雙層槳結(jié)構(gòu),雙層槳轉(zhuǎn)動方向相反,能夠很大程度上提升效率。槳扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)類似于渦扇發(fā)動機,還沒有風(fēng)扇涵道,所以槳扇發(fā)動機也被稱為無限高涵道比的渦扇發(fā)動機。
槳扇發(fā)動機的研發(fā)并未止步,例如2017年賽峰集團便展示了而開放式轉(zhuǎn)子的樣機模型。安-70是唯一使用槳扇的飛機,其搭載了4具Progress D-27 槳扇發(fā)動機,發(fā)動機由伊夫琴科-進步設(shè)計局負責(zé)研制。其前螺旋槳有8個,后螺旋槳有6個。可以保障飛機的巡航速度達到750公里/小時,而設(shè)計最高時速更是達到850公里/小時,這足以和C-17媲美。
槳扇發(fā)動機、噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本一樣,和活塞式內(nèi)燃機原理也一樣,都需要吸氣、壓縮、做功和排氣,活塞內(nèi)燃機需要二個或四個行程才能完成一個做功循環(huán),而噴氣發(fā)動機是在同一軸上一氣呵成。
槳扇發(fā)動機輸出動力的著重點是使螺旋槳產(chǎn)生推力,因而需要很強的軸扭力,而不需要太強的尾噴氣流,所以燃燒室后部的燃氣渦輪做的要比噴氣式大很多,這樣才能利用同樣的燃氣壓力獲得更大的軸扭矩,從而可以增加螺旋槳的直徑,使得其推力大大增加!
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