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推重比
來源:互聯網

推重比是飛機和航空發動機重要的技術性能指標,飛機發動機推力與發動機重力或飛機重力之比,它表示飛機發動機或飛機單位重力所產生的推力。飛機發動機在海平面靜止條件下于最大狀態(加力發動機為全加力狀態)所產生的推力與發動機結構重力之比稱為飛機發動機推重比。

發動機不同高度下的推力不同,通常以海平面推力作為發動機推重比的計算基準。飛機、火箭的推重比的計算也需要顧及飛機、火箭本身重量的變化。

在當代高性能發動機參數的基礎上,依靠氣動熱力學的進步和配以相應材料、工藝技術,可提高發動機推重比。隨著航空發動機不斷進步,推重比也在不斷提高。如中國的WS10推重比大概是8左右,WS15推重比可以達到10;美國F-14戰斗機使用的F110推重比大約是7-8,F-22戰斗機使用的F119可以達到10,而F-35戰斗機使用的F135渦輪扇發動機大概是10-12;通用的VAATE項目推重比可達12-15。

概念分類

航空發動機推重比

發動機發出的總推力與發動機總重力之比值。航空發動機設計的重要指標之一、早期的渦輪噴氣發動機推重比約為3。20世紀70年代的航空燃氣渦輪發動機推重比可達6一8,垂直起落飛機專用的升力噴氣發動機的推頂比可達16。推重比愈大,則發動機愈輕巧,飛行器可攜帶更多的燃料與有用發荷。提高推重比有兩個主要途徑,減小飛機自重,采用更輕的材料制造,或者是增大發動機的推力。此外,還可以通過提高增壓比、提高渦輪進氣溫度、采用超音速壓氣機、高負荷燃氣渦輪、短環形燃燒室以及改善發動機轉子支承系統的結構,發展先進的航空材料等。

飛機推重比

推重比是發動機推力與飛機重量之比(T/W)。一般情況下使用發動機最大推力和飛機最大起飛重量。推重比大,飛行中飛機的剩余推力比較大,機動(起飛、爬升、加速)性能比較好。所以,軍用作戰飛機推重比比較大,尤其是對現代戰斗機的機動性要求越來越高,推重比選擇越來越大,T/W接近1,甚至大于1。民用運輸機講究經濟性推重比選得比較小,T/W為0.3~0.4。輕型戰略運輸機的推重比要大一些,T/W可到0.4。飛機越大,推重比取得越小,300t以上的大型飛機,推重比T/W<0.3。

火箭發動機的推重比

液態火箭發動機推重比為發動機推力與發動機重量的無量綱比值。高推重比意味著全箭高結構系數,在相同的起飛質量下獲得更高的運載能力。推重比對于有效載荷的影響與飛行時發動機的工作階段緊密相關,其中助推級發動機影響最小(約10:1,即發動機重量減少10kg,有效載荷增加1kg),芯一級發動機影響次之,高空發動機影響最大(1:1,即發動機重量減少1kg,有效載荷增加1kg)。

推重比計算

推重比直接影響飛機的性能。飛機的推重比越高,加速就越快,爬升就越迅速,可達到的最大高度也越高,轉彎角速度也越大。另一方面,飛機的發動機越大,執行全部任務中的油耗也越多,從而使完成設計任務的飛機的起飛重量增加。推重比不是一個常數,在飛行過程中隨著燃油消耗,飛機重量不斷減小。其次,發動機的推力也隨高度和速度變化。

飛機的推重比,通常是指在地平線靜止狀態(零速度)和標準掉漆條件下,而且是設計起飛重量和最大油門狀態下的推重比。確定推重比的過程中,應當注意避免混淆起飛推重比和其他條件下的推重比。如果需要的推重比是在其他條件下得到的,就不能將它折算到起飛條件下,以便于選擇發動機的數量和大小。巡航狀態的推重比(T/W),用以下公式折算:

()起飛=()巡航()()

飛機在巡航時,處于水平勻速飛行狀態。這個時候飛機的重量等于作用在飛機上的升力,而推力等于阻力,所以推重比等于升阻比L/D的倒數,其計算公式如下:

()巡航=

飛機在爬上狀態時,采用的推重比計算公式是:

G+

一般情況下,軍用飛機的戰技術要求中會給出飛機的起飛滑跑距離值,因此可以根據下面的公式,以起飛滑跑距離來確定推重比。

=1.05

推重比也可以根據最大平飛速度來確定。如果能夠得到最大平飛速度和翼載,就能計算出所需要的推重比。相反,如果已知推重比,就能求出所需要的翼載。

=

在選取飛機的推重比后,可以根據其不同性質要求求出幾個推重比,飛機的推重比取其中的最大值。

影響因素

在當代高性能發動機參數的基礎上,依靠氣動熱力學的進步和配以相應材料、工藝技術,發動機推重比可達到約12;進一步依靠發動機部件設計技術的提高,減少葉片機級數、采用整體葉盤結構、高通流設計,可使發動機推重比達到13~14左右;要想使推重比達到15,還需采用強度高、比重小的非金屬和金屬復合材料

循環參數

渦輪進口溫度

保持部件效率,發動機進口流量,發動機總增壓比,涵道比等不變的情況下,單純增加提高渦輪進口溫度,能有效地提高推重比。但這帶來兩大技術問題:第一,如仍使用當代高性能發動機渦輪材料,則渦輪葉片平均冷卻效率要求達到約0.738,提高約12%,使渦輪冷卻設計非常困難;第二,由于渦輪進口溫度的提高,為保證內、外涵參數匹配,必需提高風扇壓比,減小高壓壓氣機壓比,使風扇的平均級負荷增加約9%,增加了風扇和低壓渦輪設計難度。

發動機總增壓比

保持發動機其它設計參數不變,僅單純提高總增壓比,并不能提高推重比,反而在高增壓比下,推重比反而下降。這是因為由于總增壓比的提高,需要的壓氣機/渦輪功增加,可用于產生推力的燃氣機械能相對比例下降。另外,總增壓比提高而渦輪進口溫度保持不變,則燃料加入的總能量減少,推力下降,因而僅提高總增壓比,不提高渦輪進口溫度保將得不到合理收益,徒自增加了技術難度。

涵道比BPR

涵道比BPR的影響,高推重比的發動機仍應采用小涵道比。涵道比的選擇直接影響發動機的推力和重量平衡,較小的涵道比有利于提高推重比,但會增加耗油率。

部件氣動、熱力設計技術

部件效率

提高部件效率盡管可以使油耗有所下降,但對增加推重比并不很明顯。

渦輪冷卻設計

減少用于渦輪冷卻的空氣量,可以有效地提高推重比,但極限情況下,即完全不用冷卻,也只能使推重比達到11左右,但這對渦輪的設計,渦輪的可靠工作帶來極大困難。此外,對發動機循環參數的匹配帶來了新的問題。由于冷卻氣量的減少,為保證加力混合器進口的內外涵參數匹配,必須減小高壓壓氣機壓比而增高風扇壓比,造成風扇和低壓渦輪設計難度的加大。

高通流設計

采用高通流設計,提高風扇進口馬赫,可以減小發動機進口直徑,從而減輕質量,提高推重比。提高進口氣流速度,可以提高單位流通面積的流量,從而減小進口直徑,減輕重量,提高推重比。

結構設計技術

為了保證氣動熱力參數的實現,結構設計技術相應應有所提高。此外,為提高推重比,需進行結構簡化和減重。最有希望實現結構減重的手段是風扇和壓氣機采用整體葉盤。初步分析表明,它們可使相應部件的重量減少20%-30%,其它還可采用對轉渦輪設計,減少渦輪導向器等設計技術來提高推重比。

材料工藝

為了實現氣動、熱力、部件設計,結構減重等技術進步,必須有材料的相應支持。適合于推重比12~15發動機的材料應該是:耐高溫材料;高比強度和高比剛度;量使用輕質金屬和非金屬材料。

應用

推重比的迭代

以上資料來源:

不同飛機的推重比范圍

推重比實際應用

現代渦輪噴氣發動機的推重比約為3.5~4.0;加力渦輪噴氣發動機約為5.0~6.0;加力小涵道比渦輪風扇發動機的推重比已達到并超過8.0;高性能的加力式渦輪風扇發動機的推重比可達12~15;用于垂直起落的升力發動機則高達16以上。進一步提高推重比是噴氣發動機發展的一個重要趨勢,例如升力發動機正向20~24發展,沖壓噴氣發動機在2~3倍音速時,推重比在20左右。液態火箭發動機的推重比隨發動機特點和推力等級不同相差很大。對中等或大推力發動機來說,以不包括推進劑的結構重量(力)計,推重比可達70~100。中國的WS10推重比大概是8左右,WS15推重比可以達到10;美國F-14戰斗機使用的F110推重比大約是7-8,F-22戰斗機使用的F119可以達到10,而F-35戰斗機使用的F135渦輪扇發動機大概是10-12;通用的VAATE項目推重比可達12-15.。現代戰斗機的飛機推重比可達1~1.25;戰略轟炸機則為0.25~0.50。

參考資料 >

航空渦輪噴氣發動機技術發展.航空動力.2024-06-04

決定飛機性能的兩大關鍵因素:推重比和翼載及其計算方法.微信公眾平臺 中國指揮與控制學會.2024-06-04

..2024-05-30

夢天實驗艙:助推渦扇發動機突破.今日頭條.2023-12-27

發動機推重比.科普中國網.2024-06-04

..2024-06-13

用了這些技術,推重比15-20的先進發動機指日可待!.國家材料腐蝕與防護科學數據中心.2024-06-04

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