**篇 循环分析
GE90-94B发动机
第1章绪论
1.1 推进设备和叶轮机械发展简史
人造推进设备的存在历史已经有好几个世纪了，这些设备也在随时间逐步演进。大部分现代发动机和燃气轮机都有共同的组成部分：压气机和涡轮或叶轮机械。本章在讨论现代发动机之前会介绍一些早期的叶轮机械和推进设备，也包括一些与叶轮机械或推进系统无关但也是比较有名的设备。这些人造设备中，很多是经过反复试验之后设计出来的，它们代表了人类在工程设计中的早期尝试，其中很多在当时是非常精致的。 Wilson(1982)、 Billington(1996)、ASME(1997)、Engeda(1998)、St. Peter(1999)等都结合图片对这一历史进程做了精彩的描述。
人类历史上最早的叶轮机械之一是 Heron(通常被称为“希罗”)设计的汽转球，如图 1.1所示。这一设施设计于约公元前 100年。它由一个充满水的充气室驱动，其中的水被加热到沸腾状态，通过导管将蒸汽引到一个固定在中空轴上的球内。在球上相对的两个位置设有两个排气装置，这两个排气装置指向相反，引导高速蒸汽产生力矩，带动球体绕轴旋转——这本质上是一个反作用机器。如果将一根绳子与旋转轴相连， Heron就可以用它来完成开启庙宇大门之类的工作。
大约在公元 1232年，中国的万户( Wan Hu)设计和测试了火箭橇——这种火箭橇用一种原始的固体推进火箭移动。万户把燃料放在一个容器内燃烧，产生的炽热气体通过一个喷嘴高速排出，从而产生推力。不幸的是，万户最后在他的试验中牺牲，这也是史上记载的最早死于推进设备的事件。
达 芬奇也在叶轮机械领域做出过贡献—— 1500年，他设计了旋转式烟囱帽。达 芬奇在烟囱中安装了一个涡轮，利用上升热气流的自由对流来驱动涡轮上一系列叶片转动，然后这种旋转运动通过一组齿轮带动在火焰上的火鸡。如此火鸡被自动烤制。与此同时，达 芬奇还设计了由一个大螺旋桨产生升力的概念直升机。
从 Robert Hooke和一些其他人的构想开始，从 17~19世纪，荷兰人将风车广泛地用于抽水磨坊里(图 1.2)——本质上是一种大的风力涡轮。这些巨大的风力涡轮(通常直径大于 50m)将平原地带强劲而稳定的风力资源转换为低速的旋转运动——通过一系列木质斜齿轮和耦合机构后，将扭转功率转化成地面上的可用功率。在荷兰早期的抽水与磨坊中，通常可见一个倒转的水轮——水轮上的水腔将水从低处推到一个更高的位置，再在高处将水倾倒到用堤坝隔拦的地方——如此便可将洪水从海平面以下的陆地中抽取出来。
图 1.1 公元前 100年 Heron设计的汽转球
图 1.2 荷兰风车【R. Flack摄】
1629年，Giovanni de Branca设计了一个燃气涡轮——早期的冲击式涡轮。 Branca在一个增压容器里将水煮沸，沸腾的蒸汽通过一个喷嘴喷出，产生高速蒸汽可以驱动一根轴上的一系列辐射状叶片。然后通过一系列的斜齿轮来传递扭矩并驱动机械设备。
1687年，艾萨克 牛顿爵士设计了蒸汽四轮运货马车——可被视为早期汽车。他在四轮马车上安置了一个火炉，用来持续煮沸水箱中的水，然后用一个喷嘴来引导蒸汽以产生推力。通过调整火力、喷嘴上的阀门以及喷嘴方向，就可以调整排汽速度、推力大小和推力方向。尽管这一概念可行，但是要想获取可观的车速，所需功率远超过当时能够提供的功率，这一想法最终被遗弃。
1689年，Denis Papin在一个涡螺设计中首次提出了关于泵轮的科学构想。尽管早在公元 4世纪就有木质离心泵， 1754年，在数学和流体力学领域均有深厚造诣的 Leonhard Euler进一步推进了与泵相关的领域，因此今天我们把理想泵性能称为“欧拉水头”。1818年，美国人生产了**个商用的离心泵。
1730年，Garonne设计了一个水驱磨粉机。这个磨粉机是较早使用的水轮(或水轮机)。 Garonne将水坝流下的水引导到一系列圆锥形的叶片上(叶轮)，利用这些高静压头的水转动叶轮。旋转轴带动涡轮上面的磨碎机磨粉。 1882年，Wisconsin在实际中采用相同的理念，利用径流式水轮机带动发电机发电。
Gifford是成功利用受控推进设备驱动飞机的**人。 1851年，他利用一个汽轮机来带动一个螺旋桨推动飞机。但是由于全部负载所需功率明显太大——受限于发动机尺寸、燃烧室燃料量、沸腾用的水量——最终这一想法不可行。
1883年，Carl de Laval设计了所谓的“ Hero”反作用涡轮，如图 1.3所示。这实际上是早期使用的水力涡轮。水从中空管中流过，在水管尾端形成了高速喷射流，进而绕中间轴旋转。这也是旋转喷水头的基本原型——将水体的内能转换成绕旋转轴转动的动能。
另一个例子是 1897年 Laval设计的冲击式汽轮机(图 1.4)。该装置利用蒸汽的反推力推动固定在一个旋转轴上的叶片。高速蒸汽撞击到叶片上后改变方向，在叶片上进行动量交换，从而推动旋转轴，对外提供力矩。
图 1.3 Laval设计的“Hero”反作用涡轮
图 1.4 Laval设计的冲击式汽轮机
接下来的 25年里，人类在涡轮动力装置领域取得了快速的进步。燃气涡轮和蒸汽涡轮在船舶和发电领域开始广泛应用。例如， 1891年，Charles Parsons研发了世界上**台蒸汽涡轮——现代燃气涡轮的前身。该叶轮机包括两个独立的部件：蒸汽发生器(燃烧室)和涡轮。蒸汽发生器产生高压气流，高速喷射到涡轮上。 19世纪初，Richard Trevithick和其他人发明了船舶用推进器或螺旋桨，这本身也是一种涡轮机构。 Parson发明的蒸汽涡轮功率可达 2100hp(1570kW)，1879年，它被用来直接驱动一个 100ft(30.5m)长的远洋船舶，速度达 34kn，在那个大多数交通工具运行速度都很慢的年代里，这是一项非常了不起的成就。
1912年，在芝加哥，一个多达 64级的大型蒸汽涡轮开始装机，当时运转速度为 750r/min，能输出高达 25MW的电功率。 20世纪 20年代，通用电气已经有多款 40MW级别的蒸汽涡轮投入使用。它们的运转速度为 1800r/min，拥有 19级。尽管从那个时候开始，该领域从未停止改良和进步，在现今全世界很多发电厂中仍在使用这些设备，但是其设计仍然基本相同。
20世纪 30年代，英国人和德国人几乎同时而独立地展开了燃气涡轮的研究，并取得了极大进展。1930年，英国的弗兰克 惠特尔爵士获得了现代推进燃气涡轮的专利(图 1.5)。这一发动机转速约 18000r/min，能产生高达 1000lbf(4450N)的推力。它包含一个离心式压气机和一个回流式燃烧室——燃烧室中的气流方向与整机的气流流向相反——现今在很多需要节省空间的小型发动机中仍采用这种设计理念。经过多年改进， 1941年，该发动机在飞机上应用。这一早期的进展由 Meher-Homji发现(1997年)； Dunham回顾了 Howell的贡献——Howell也是英国人，他完善了惠特尔的研究工作。
图 1.5 惠特尔设计的 WU1喷气发动机【图片来源于 Lloyd[1945]图 105，经机械工程师协会理事会授权使用】
1939年，德国人首次在飞行中使用了燃气涡轮。汉斯 冯 奥海因在 1936年获得了这款飞机发动机的专利授权，如图 1.6所示。该发动机能产生 1100lbf(4890N)的推力，它包括轴流和离心组合式压气机。总体来讲，德国人设计的涡轮以及之后的改进型发动机在效率和耐用性上比他们的英国同行更胜一筹。仅仅几年之后，德国人 Anselm Franz设计的 Junkers Jumo 004型发动机是**个批量生产的燃气涡轮发动机，见图 1.7。Meher-Homji (1996，1997b，1999)对这些早年的进展做了饶有兴致的回顾。其他有关叶轮机械和推进系统的历史性回顾包括 Heppenheimer(1993)、St. Peter(1999)和 Wilson(1982)等。现在，惠特
图 1.6 奥海因设计的喷气发动机【.德意志博物馆波恩摄影师 Hans-Jochum Becker】
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