中華軍備】航空渦扇發動機的工作原理
發表於：2014-01-21 21:57:40
作者:江山紅紅發簡訊加好友更多作品
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航空噴氣發動機主要有兩種，一種是渦噴發動機，一種是鍋扇發動機。在這裡主要介紹大家關心的渦扇發動機的工作原理。
渦扇發動機是噴氣發動機的乙個分支，從血緣關係上來說，渦扇發動機應是渦噴發動機的變種。從結構上看，渦扇發動機是在渦噴發動機之前加裝了風扇。這幾葉風扇卻把渦噴發動機與渦扇發動機嚴格的區分開來。
正是這幾葉風扇，讓渦扇發動機青出於藍而勝於藍。
研製渦扇發動機，首先是要確定它的總體結構。簡單的講，主要是發動機的轉子數目多少。目前渦扇發動機所採用的總體結構無非是三種，一是單轉子、二是雙轉子、三是三轉子。
其中單轉子的結構最為簡單，整個發動機只有一根軸，風扇、壓氣機、渦輪全都在這一根軸上。結構簡單儘管研製難度低，省錢！但要付出效能差的代價。
從理論上講：單轉子結構的渦扇發動機的壓氣機，可以作成任意多的級數，以期達到一定的增壓比。可是由於單轉子的結構限制，使其風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、低壓渦輪、高壓渦輪必須都安裝在同一根主軸之上，在工作時，它們就必須要保持相同的轉速，問題也跟著出來了。
當單轉子的發動機在工作時，如果其轉速突然下降時，壓氣機的高壓部分，就會因為得不到足夠的轉速，而效率嚴重下降；在高壓部分的效率下降的同時，壓氣機低壓部分的載荷就會急劇上公升，當低壓壓氣機部分超載執行時，就會引起發動機的振喘。在正常的飛行中，發動機發生振喘是決對不允許的。因為發動機發生振喘，會嚴重危及飛機的安全。
為了解決低壓部分在工作中的過載，只好在壓氣機前加裝導流葉片和在壓氣機的中間級上進行放氣，即放掉一部分以經被增壓的空氣來減少壓氣機低壓部分的載荷。但這樣一來發動機的效率就會大打折扣，而且這種放掉增壓氣的作法在高增壓比的壓氣機上的作用也不是十分的明顯。更要命的問題發生在風扇上，由於風扇必須和壓氣機同步，受壓氣機的高轉數所限，單轉子渦扇發動機只能選用比較小的函道比。
為了提高壓氣機的工作效率和減少發動機在工作中的振喘，人們想到了用雙轉子來解決問題，即讓發動機的低壓壓氣機和高壓壓氣機工作在不同的轉速之下。這樣低壓壓氣機與低壓渦輪聯動形成了低壓轉子，高壓壓氣機與高壓渦輪聯動形成了高壓轉子。低壓轉子的轉速可以相對低一些。
因為壓縮作用，在壓氣機內的空氣溫度公升高，其作用力隨著空氣溫度的公升高而增大。高壓轉子的轉速可以設計的相對高一些，轉速提高了，其高壓轉子的直徑就可以做得小一些，這樣在雙轉子的噴氣發動機上就形成了乙個「蜂腰」，而發動機的一些附屬裝置比如燃油調節器、起動裝置等等就可以裝在這個「蜂腰」的位置上，以減少發動機的迎風面積降低飛行阻力。一般來說雙轉子發動機的的高壓轉子的重量比較輕，起動慣性小，所以人們在設計雙轉子發動機的時候都只把高壓轉子設計成用啟動機來驅動，這樣和單轉子發動機相比雙轉子的啟動也比較容易，啟動的能量也要求較小，啟動裝置的重量也就相對降低。
然而雙轉子結構的渦扇發動機也並不是完美的。在雙轉子結構的渦扇發動機上，由於風扇要和低壓壓氣機聯動，風扇和低壓壓氣機就必須要互相將就一下對方。風扇為將就壓氣機而必需提高轉數，這樣直徑相對比較大的風扇所承受的離心力和葉尖速度也就要大，巨大的離心力就要求風扇的重量不能太大，在風扇的重量不能太大的情況下風扇的葉片長度也就不能太長，風扇的直徑小下來了，函道比自然也上不去，而實踐證明函道比越高的發動機推力也就越大，而且也相對省油。
而低壓壓氣機為了將就風扇也不得不降低轉數，降低了壓氣機的轉數壓氣機的工作效率自然也就上不去，單級增壓比降低的後果是不得不增加壓氣機風扇的級數來保持一定的總增壓比。這樣壓氣機的重量就很難得以下降。
為了解壓氣機和風扇轉數上的矛盾。人們很自然的想到了三轉子結構，所謂三轉子就是在二轉子發動機上又了多了一級風扇轉子。這樣風扇、高壓壓氣機和低壓壓氣機都自成乙個轉子，各自都有各自的轉速。
三個轉子之間沒有相對固定的機械聯接。如此一來，風扇和低壓轉子就不用相互的將就行事，而是可以各自在最為合試的轉速上運轉。設計師們就可以相對自由的來設計發動機風扇轉速、風扇直徑以及函道比。
而低壓壓氣機的轉速也可以不受風扇的肘制，低壓壓氣機的轉速提高之後壓氣的的效率提高、級數減少、重量減輕，發動機的長度又可以進一步縮小。
但和雙轉子發動機相比，三轉子結構的發動機的結構進一步變的複雜。三轉子發動機有三個相互套在一起的共軸轉子，因而所需要的軸承支點幾乎比雙轉子結構的發動機多了一倍，而且支撐結構也更加的複雜，軸承的潤滑和壓氣機之間的密閉也更困難。三轉子發動機比雙轉子發動機多了很多任務程上的難題，可是英國的羅·羅公司還是對他情有獨鍾，因為在表面的困難背後還有著巨大的好處，羅羅公司的rb-211上用的就是三轉子結構。
轉子數量上的增加換來了風扇、壓氣機、渦輪的簡化。
三轉子rb-211與同一技術時期推力同級的雙轉子的jt-9d相比：jt-9d的風扇頁片有46片，而rb-211只有33片；壓氣機、渦輪的總級數jt-9d有22級，而rb-211只有19級；壓氣機葉片jt-9d有1486片，rb-211只有826片；渦輪轉子葉片rb211也要比jt9d少，前者是522片，而後者多達708片；但從支撐軸承上看，rb-211有八個軸承支撐點，而jt9d只有四個。
渦扇發動機的外函推力完全來自於風扇所產生的推力，風扇的的好壞直接的影響到發動機的效能，這一點在高函道比的渦扇發動機上由是。渦扇發動機的風扇發展也經歷了幾個過程。在渦扇發動機之初，由於受內函核心機功率和風扇材料的機械強度的限制，渦扇發動機的函道比不可能作的很大，比如在渦扇發動機的三鼻祖中，其函道比最大的cj805-23也不過只有1.
5而以，而且cj805-23所採用的風扇還是後獨一無二的後風扇。
在前風扇設計的二款發動機中jt3d的函道比大一些達到了1.37。達到如此的函道比，其空氣總流量比也比其原型j-57的空氣流量大了271%。
空氣流量的加大發動機的迎風面積也隨之變大。風扇的葉片也要作的很長。jt3d的一級風扇的葉片長度為418.
2公釐。而j57上的最長的壓氣機葉片也就大約有二百公釐左右。當風扇葉片變的細長之後，其彎曲、扭轉應力加大，在工作中振動的問題也突現了出來。
為了解決細長的風扇葉片所帶來的麻煩，普惠公司採用了阻尼凸台的方法來減少風扇葉片所帶來的振動。凸台位於距風扇葉片根處大約百分之六十五的地方。jt3d發動機的風扇部分裝配完成之後，其風扇葉上的凸台就會在葉片上連成乙個環形的箍。
當風扇葉片運轉時，凸台與凸台之間就會產生摩擦阻尼以減少葉片的振動。加裝阻尼凸台之後其減振效果是明顯的，但其阻尼凸台的缺點也是明顯的。首先他增加了葉片的重量，其次他降底了風扇葉片的效率。
而且如果設計不當的話當空氣高速的流過這個凸台時會發生畸變，氣流的畸變會引發葉片產生更大的振動。而且如果採用這種方法由於葉片的質量變大，在發動機運轉時風扇本身會產生更大的離心力。這樣的風扇葉片很難作的更長，沒有更長的葉片也就不會有更高的函道比。
而且細長的風扇葉片的機械強度也很低，在飛機起飛著陸過程中，發動機一但吸入了外來物，比如飛鳥之類，風扇的葉片會更容易被損壞，在高速轉動中折斷的風扇葉片會像子彈一樣打穿外函機匣釀成大禍。解決風扇難題乙個比較完美的辦法是加大風扇葉片的寬度和厚度。這樣葉片就可以獲得更大的強度以減少振動和外來物打擊的損害，而且如果振動被減少到一定程度的話阻尼凸台也可以取消。
但更厚重的扇葉其運轉時的離心力也將是巨大的。這樣就必需要加強扇葉和根部和安裝扇葉的輪盤。但航空發動機負不起這樣的重量代價。
風扇葉片的難題大大的限制了渦扇發動機的發展。
更高的轉數、高大的機械強度、更長的葉片、更輕的重量這樣的乙個多難的問題最終在八十年代初得到了解決。
2023年10月，rb211-535e4掛在波音七五七的翼下投入了使用。它是一台有著跨時代意義的渦扇發動機。讓它身負如此之名的就是他的風扇。
羅·羅公司用了創造性的方法解決了困擾大函道比渦扇發動機風扇的多難問題。新型發動機的風扇葉片叫作「寬弦無凸肩空心夾層結構葉片」。故名思意，新型風扇的葉片採用了寬弦的形狀來加大機械強度和空心結構以減少重量。
新型的空心葉片分成三個部分：葉盆、葉背、和葉芯。它的葉盆和葉背分別是由兩塊鈦合金薄板製成，在兩塊薄板之間是同樣用鈦合金作成的蜂窩狀結構的「芯」。
通過活性擴散焊接的方法將葉盆、葉背、葉芯連成一體。新葉片以極輕的重量獲得了極大的強度。這樣的一塊鈦合金三明治一下子解決了困擾航空動力工業幾十年的大難題。
新型風扇不光是重量輕、強度大，而且因為他取消了傳統細長葉片上的阻尼凸台他的工作效率也要更高一些。風扇扇葉的數量也減少了將近三分之一，rb211-535e4發動機的風扇扇葉只有二十四片。
2023年7月15日新型寬弦葉片經受了一次重大的考驗。印度航空公司的一架a320在起飛階段其裝備了寬弦葉片的v-2500渦扇發動機吸入了乙隻5.44千克重的印度禿鷲！
巨鳥以差不多三百公里的時速迎頭撞到了發動機的最前端部件--風扇上！可是發動機在遭到如此重創之後仍在正常工作，飛機安全的降落了。在降落之後，人們發現v-2500的22片寬弦風扇中只有6片被巨大的衝擊力打變了形，沒有一片葉片發生折斷。
發動機只在外場進行了更換葉片之後就又重新投入了使用。這次意外的撞擊證明了「寬弦無凸肩空心夾層結構葉片」的巨大成功。
解決寬弦風扇的問題並不是只有空心結構這一招。實際上，當風扇的直徑進一步加大時，空心結構的風扇扇葉也會超重。比如在波音777上使用的ge-90渦扇發動機，其風扇的直徑高達3.
142公尺。即使是空心蜂窩結構的鈦合金葉片也會力不從心。於是通用動力公司便使用先進的增強環氧樹脂碳纖維複合材料來製造巨型的風扇扇葉。
碳纖維複合材料所製成的風扇扇葉結構重量極輕，而強度卻是極大。可是在當複合材料製成的風扇在運轉時遭到特大鳥的撞擊會發生脫層現像。為了進一步的增大ge-90的安全係數，通用動力公司又在風扇的前緣上包覆了一層鈦合金的蒙皮，在其後緣上又用「凱夫拉」進行縫合加固。
如此以來ge-90的風扇可謂萬無一失。
當高函道比渦扇發動機的風扇從傳統的細長窄弦葉片向寬弦葉片過渡的時候，風扇的級數也經歷了一場從多級風扇到單級風扇的過渡。在渦扇發動機誕生之初，由於風扇的單級增壓比比較低只能採用多級串聯的方式來提高風扇的總增壓比。比如jt3d的風扇就為兩級，其平均單級增壓比為1.
32，通過兩級串聯其風扇總增壓比達到了1.74。多級風扇與單級風扇相比幾乎沒有優點，它重量大、效率低，其實它是在渦扇發動機的技主還不十分成熟的時候一種無耐的選擇。
隨著風扇單級增壓比的一步步提高，現如今在中、高函道比的渦扇發動機上單級風扇以是一統天下。比如在ge-90上使用的單級風扇其增壓比高達1.65，如此之高的單級增壓比以經再沒有必要來串接第二級風扇。
但是在戰鬥機上使用的低函道比渦扇發動機還在使用著多級風級的結構。比如在f-15a上使用的f100-pw-100渦扇發動機就是由**構成，其總增壓比達到了2.95。
低函道渦扇發動機取如此高的風扇增壓比其實是風扇、低壓壓氣機合二為一結果。。受戰鬥機的機內容積所限，採用大空氣流量的高函道比渦扇發動機是不現實的，但為了提高推力只能提發動機的出口壓力，再者風扇不光要提供全部的外函推力而且還要部分的承擔壓氣機的任務，所以風扇只能採用比較高的增壓比。
其實低函道比的渦扇發動機彩用多級風扇也是一種無耐之舉，如果風扇的單級增壓比能達到3左右多級風扇的結構就將不會再出現。如果想要風扇的單級增壓比達到3一級只能是進一步提高風扇的的轉速並在風扇的葉型上作文章，風扇的葉片除了要使用寬弦葉片之外葉片還要帶有一定的後掠角度以克服風扇在高速旋轉時所產生的激波，只有這樣3一級的單級風扇增壓比才可能會實現。相現這一點人們將會在二十年之內作到。
壓氣機故名思意，就是用來壓縮空氣的一種機械。在噴氣發動機上所使用的壓氣機按其結構和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓氣機，一類是軸流式壓氣機。離必式壓氣機的外形就像是乙個鈍角的扁圓錐體。
在這個圓錐體上有數條螺旋形的葉片，當壓氣機的圓盤運轉時，空氣就會被螺旋形的葉片「抓住」，在高速旋轉所帶來的巨大離心力之下，空氣就會被甩進壓氣機圓盤與壓氣機機匣之間的空隙，從而實現空氣的增壓。與離心式壓氣機不同，軸流式壓氣機是由多級風扇所構成的，其每一級都會產生一定的增壓比，各級風扇的增壓比相乘就是壓氣機的總增壓比。
發動機原理
一 名詞解釋 工質 與能量轉換有關的工作物質 迴圈熱效率 工質所做的迴圈功w與迴圈加熱量q之比 壓縮比 va vc 壓力公升高比 pz pc 迴圈平均壓力pi 單位氣缸容積所做的迴圈功 指示功wi 乙個實際迴圈工質對活塞所做的有用功 平均指示壓力pmi 發動機單位汽缸工作容積的指示功 指示熱效率 i...
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