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为何苏式发动机加力时多为蓝色火焰, 欧美发动机却是橘红色火焰?

时间:2019-02-14 14:32:53        来源:

飞机发动机的火焰为什么有的黄色有的蓝色?

首先先解释一下火焰颜色的区别

一般情况下,蓝火焰的温度是最高的 火焰颜色和温度对应: 暗红色:600摄氏度左右。 深红色:700摄氏度左右。 橘红色:1000摄氏度左右。 纯橘色:1100摄氏度左右。 金橘色:1200摄氏度左右。 金黄色:1300摄氏度左右。 金白色:1400摄氏度左右。 纯白色:1500摄氏度左右。 白蓝色:1500摄氏度以上。 天蓝色:2000摄氏度左右。蓝色:2500℃以上。

▲冒蓝火的歼-20

其次谈谈战机尾焰色区别原因

一般来说 蓝色温度比红色高 不过由于喷口金属材质不同 火焰颜色也会不同(焰色反应),蓝色火焰代表温度最高,你也可以理解为推力大,至于歼-20的尾喷蓝色火焰是因为发动机开加力了。F-22(F-119发动机)可以非加力音速巡航,你看到的红黄色证明F-22还没开加力。

顺路说下战斗机开加力,那么问题不外乎两个,燃油消耗和持续时间

首先,一般而言开加力是指对喷气发动机而言,无论是涡扇和涡喷(涡桨发动机可以视为涡扇发动机的变型)。活塞发动机也有开加力一说,也就是往燃烧室里喷酒精或者喷水,但是现役战斗机基本都是喷气式的,所以不在阐述之列。

涡喷发动机的结构为压气段(低压段加高压段),燃烧室,做功涡轮,排气段。整个气流路径为内涵道。涡扇发动机比涡喷发动机在内涵道外多了一个外函道,借助增大直径的低压段压气机叶片产生向后的压缩空气推力。因此在相同的油耗情况下,能够获得比涡喷更大的推力。或者反过来说相同推力情况下则更经济。缺点就是结构更复杂,直径和重量更大。但是借助现代先进冶金技术制造工艺,涡扇发动机的优点(省油、大推力)远远超过缺点。目前最先进的F119-PW-100小涵道比涡扇发动机的推重比达到了10以上。也就是说,该发动机可以产生十倍于自身重量的推力。

战斗机在作战时,因为战术需要,有时需要以最大速度迅速抵达战区,或者迅速抢占能量高点。因此在军用最大推力以外,还需要通过开加力来获得瞬时的速度。每一种型号的喷气发动机在设计时,都有开加力的功能。开加力的原理就是当喷气发动机运行时,往燃烧室后部,做功涡轮之前的内涵道内喷入额外的雾化燃料,借助燃烧室排出的燃气点燃。因其燃烧膨胀做功产生额外的推力,并促使做功涡轮加速,带动前端两级压气机吸入更多的空气。由于开加力做功的部分是在燃烧室之后,因此俗称后燃或者补燃。这一段发动机结构往往会经过加强,又称为加力燃烧段。

当喷气发动机开加力时,其燃料消耗至少是正常情况下的两倍,相应的战斗机的航程也会随之降低。以上述F119-PW-100为例,非加力油耗0.75-0.8Kg/小时Kg推力,而加力油耗1.8Kg/小时Kg推力。同时,由于开加力对急剧增加发动机内涵道后燃段的温度和压力,以及核心涡轮的转速,因此开加力会缩短发动机寿命。

▲起飞米格-25RB

俄系喷气发动机允许开最大加力时间一般不得超过两分钟,西方喷气发动机允许开最大加力时间一般不得超过五分钟。超过后有可能因为发动机部件受应力超过屈服强度而发生裂缝、断裂等严重问题。而且开加力后的发动机在着陆后都要对涡轮叶片和燃烧室进行详细检查。所以,战斗机一般只在重载起飞(尤其是舰载战斗机)或者作战时才开加力,开也不是一下子开足,而是根据需要决定。现代飞机的电控系统可以根据需要精确的控制开加力程度,也就是燃油使用效率更高。

美国B1战略轰炸

三代及以下的喷气飞机使用军用最大推力并不能达到超音速,也就是说,即便像F15这样的双发重型战机,也需要开加力才能超过音速。而四代机得益于所装备的喷气发动机的推重比提高,在不开加力的情况下依靠军用推力就能达到1.5M的超音速水平。这也是四代机的重要指标之一。

以下从航空发动机燃烧学的角度对外焰焰色的不同稍作解释。

上图为一个本生灯模型,可以通过它来模拟航空发动机火焰燃烧的不同状态。a为一次供气的进气量,当a为0时是纯油燃烧,属于扩散燃烧(外焰呈现黄色)。

当a在0-0.3直接时是富油燃烧,会有部分燃油溢出火焰面在空气中寻求更多的氧化剂。这是一种组合火焰,内焰呈深蓝色属于预混燃烧,外焰呈黄色属于扩散燃烧。

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当a在0.3-1直接时,和上一个情况类似,也是一种组合燃烧,由于比例不同,外焰扩散燃烧呈暗红色。

当a大于1时,一次供气时预混地恰到好处,火焰属于预混燃烧呈浅蓝色火焰。

另外火焰的颜色跟燃料燃烧的充分度有关,燃烧充分呈蓝色,不充分是黄色,所以在平时家里使用煤气炉是,也可以同时看到蓝色火焰和黄色火焰。所以说明罗斯战机发力时主要依靠增加燃料利用度,美国靠的是增加燃料燃烧量。

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