航空涡扇发动机的工作原理

航空喷气发动机主要有两种，一种是涡喷发动机，一种是锅扇发动机在这里主要介绍大家关心的涡扇发动机的工作原理涡扇发动机是喷气发动机的一个分支，从血缘关系上来说，涡扇发动机应是涡喷发动机的变种从结构•发表于2022-01-2121:57:40上看，涡扇发动机是在涡喷发动机之前加装了风扇这几叶风扇却把涡*作者:注由红红发短信加好友更多作品喷发动机与涡扇发动机严格的区分开来正是这几叶风扇，级别上将积分118791让涡扇发动机青出于蓝而胜于蓝研制涡扇发动机，首先是要确定它的总体结构简单的讲，主要是发动机的转子数目多少目前涡扇发动机所采用的总体结构无非是三种，一是单转子、二是双转子、三是三转子其中单转子的结构最为简单，整个发动机惟独一根轴，风扇、压气机、涡轮全都在这一根轴上结构简单尽管研制难度低，省钱！但要付出性能差的代价从理论上讲单转子结构的涡扇发动机的压气机，可以作成任意多的级数，以期达到一定的增压比可是由于单转子的结构限制，使其风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮必须都安装在同一根主轴之上，在工作时，它们就必须要保持相同的转速，问题也跟着出来了当单转子的发动机在工作时，如果其转速蓦地下降时，压气机的高压部份，就会因为得不到足够的转速，而效率严重下降；在高压部份的效率下降的同时，压气机低压部份的载荷就会急剧上升，当低压压气机部份超载运行时，就会引起发动机的振喘在正常的飞行中，发动机发生振喘是决对不允许的因为发动机发生振喘，会严重危及飞机的安全为了解决低压部份在工作中的过载，只好在压气机前加装导流叶片和在压气机的中间级上进行放气，即放掉一部份以经被增压的空气来减少压气机低压部份的载荷但这样一来发动机的效率就会大打折扣，而且这种放掉增压气的作法在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显更要命的问题发生在风扇上，由于风扇必须和压气机同步，受压气机的高转数所限，单转子涡扇发动机只能选用比较小的函道比为了提高压气机的工作效率和减少发动机在工作中的振喘，人们想到了用双转子来解决问题，即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下这样低压压气机与低压涡轮联动形成为了低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成为了高压转子低压转子的转速可以相对低一些因为压缩作用，在压气机内的空气温度升高，其作用力随着空气温度的升高而增大高压转子的转速可以设计的相对高一些，转速提高了，其高压转子的直径就可以做得小一些，这样在双转子的喷气发动机上就形成为了一个“蜂腰”，而发动机的一些附属设备比如燃油调节器、起动装置等等就可以装在这个“蜂腰”的位置上，以减少发动机的迎风面积降低飞行阻力普通来说双转子发动机的的高压转子的分量比较轻，起动惯性小，所以人们在设计双转子发动机的时候都只把高压转子设计成用启动机来驱动，这样和单转子发动机相比双转子的启动也比较容易,启动的能量也要求较小，启动设备的分量也就相对降低然而双转子结构的涡扇发动机也并非完美的在双转子结构的涡扇发动机上，由于风扇要和低压压气机联动，风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对照较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的分量不能太大，在风扇的分量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比这样压气机的分量就很难得以下降为了解压气机和风扇转数上的矛盾人们很自然的想到了三转子结构，所谓三转子就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速三个转子之间没有相对固定的机械联接如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转设计师们就可以相对自由的来设计发动机风扇转速、风扇直径以及函道比而低压压气机的转速也可以不受风扇的肘制，低压压气机的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、分量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子，于是所需要的轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更艰难三转子发动机比双转子发动机多了不少工程上的难题，可是英国的罗・罗公司还是对他情有独钟，因为在表面的艰难暗地里还有着巨大的好处，罗罗公司的RB-211上用的就是三转子结构转子数量上的增加换来了风扇、压气机、涡轮的简化三转子与同一技术时期推力同级的双转子的相比的风扇页片有片而RB-211JT-9D JT-9D46,RB-211惟独片；压气机、涡轮的总级数有级，而惟独级；压气机叶片有33JT-9D22RB-21119JT-9D1486片，惟独片；涡轮转子叶片也要比少，前者是片，而后者多达片；但RB-211826RB211JT9D522708从支撑轴承上看，有八个轴承支撑点，而惟独四个RB-211JT9D涡扇发动机的外函推力彻底来自于风扇所产生的推力，风扇的的好坏直接的影响到发动机的性能，这一点在高函道比的涡扇发动机上由是涡扇发动机的风扇发展也经历了几个过程在涡扇发动机之初，由于受内函核心机功率和风扇材料的机械强度的限制，涡扇发动机的函道比不可能作的很大，比如在涡扇发动机的三鼻祖中，其函道比最大的也无非惟独而以，而且所采用的风扇还是后CJ805-

231.5CJ805-23独一无二的后风扇在前风扇设计的二款发动机中的函道比大一些达到了达到如此的函道比，其空气总流量比JT3D

1.37也比其原型的空气流量大了空气流量的加大发动机的迎风面积也随之变大风扇的叶片也J-57271%o要作的很长的一级风扇的叶片长度为毫米而上的最长的压气机叶片也就大约有二百JT3D

418.2J57毫米摆布当风扇叶片变的细长之后，其弯曲、扭转应力加大，在工作中振动的问题也突现了出来为了解决细长的风扇叶片所带来的麻烦，普惠公司采用了阻尼凸台的方法来减少风扇叶片所带来的振动凸台位于距风扇叶片根处大约百分之六十五的地方发动机的风扇部份装配完成之后，其风扇叶上的凸JT3D台就会在叶片上连成一个环形的箍当风扇叶片运转时，凸台与凸台之间就会产生磨擦阻尼以减少叶片的振动加装阻尼凸台之后其减振效果是明显的，但其阻尼凸台的缺点也是明显的首先他增加了叶片的分量，其次他降底了风扇叶片的效率而且如果设计不当的话当空气高速的流过这个凸台时会发生畸变，气流的畸变会引起叶片产生更大的振动而且如果采用这种方法由于叶片的质量变大，在发动机运转时风扇本身会产生更大的离心力这样的风扇叶片很难作的更长，没有更长的叶片也就不会有更高的函道比而且细长的风扇叶片的机械强度也很低，在飞机起飞着陆过程中，发动机一但吸入了外来物，比如飞鸟之类，风扇的叶片会更容易被损坏，在高速转动中折断的风扇叶片会像子弹一样打穿外函机匣酿成大祸解决风扇难题一个比较完美的办法是加大风扇叶片的宽度和厚度这样叶片就可以获得更大的强度以减少振动和外来物打击的伤害，而且如果振动被减少到一定程度的话阻尼凸台也可以取销但更厚重的扇叶其运转时的离心力也将是巨大的这样就必需要加强扇叶和根部和安装扇叶的轮盘但航空发动机负不起这样的分量代价风扇叶片的难题大大的限制了涡扇发动机的发展更高的转数、高大的机械强度、更长的叶片、更轻的分量这样的一个多难的问题最终在八十年代初得到了解决年月，挂在波音七五七的翼下投入了使用它是一台有着跨时代意义的涡扇198410RB211-535E4发动机让它身负如此之名的就是他的风扇罗・罗公司用了创造性的方法解决了困扰大函道比涡扇发动机风扇的多难问题新型发动机的风扇叶片叫作“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片故名思意，新型风扇的叶片采用了宽弦的形状来加大机械强度和空心结构以减少分量新型的空心叶片分成三个部份叶盆、叶背、和叶芯它的叶盆和叶背分别是由两块钛合金薄板制成，在两块薄板之间是同样用钛合金作成的蜂窝状结构的“芯”通过活性扩散焊接的方法将叶盆、叶背、叶芯连成一体新叶片以极轻的分量获得了极大的强度这样的一块钛合金三明治一下子解决了困扰航空动力工业几十年的大难题新型风扇不光是分量轻、强度大，而且因为他取销了传统细长叶片上的阻尼凸台他的工作效率也要更高一些风扇扇叶的数量也减少了将近三分之一，发动机的风扇扇叶惟独二十四片RB211-535E4年月日新型宽弦叶片经受了一次重大的考验印度航空公司的一架在起飞阶段其装备了1991715A320宽弦叶片的涡扇发动机吸入了一只千克重的印度秃鹫！巨鸟以差不多三百公里的时速迎头V-

25005.44撞到了发动机的最前端部件--风扇上！可是发动机在遭到如此重创之后仍在正常工作，飞机安全的降落了在降落之后，人们发现的片宽弦风扇中惟独片被巨大的冲击力打变了形，没有一片叶片发V-2500226生折断发动机只在外场进行了更换叶片之后就又重新投入了使用这次意外的撞击证明了“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片”的巨大成功解决宽弦风扇的问题并非惟独空心结构这一招实际上，当风扇的直径进一步加大时，空心结构的风扇扇叶也会超重比如在波音上使用的涡扇发动机，其风扇的直径高达米即使是空777GE-

903.142心蜂窝结构的钛合金叶片也会力不从心于是通用动力公司便使用先进的增强环氧树脂碳纤维复合材料来创造巨型的风扇扇叫底碳纤维复合材料所制成的风扇扇叶结构分量极轻，而强度却是极大可是在当复合材料制成的风扇在运转时遭到特大鸟的撞击会发生脱层现像为了进一步的增大的安全系数，通用动力公司又在风扇的前缘上包覆了一层钛合金的蒙皮，在其GE-90后缘上又用“凯夫拉”进行缝合加固如此以来的风扇可谓万无一失GE-90当高函道比涡扇发动机的风扇从传统的细长窄弦叶片向宽弦叶片过渡的时候，风扇的级数也经历了一场从多级风扇到单级风扇的过渡在涡扇发动机诞生之初，由于风扇的单级增压比比较低只能采用多级串联的方式来提高风扇的总增压比比如的风扇就为两级，其平均单级增压比为通过两级串联JT3D

1.32,其风扇总增压比达到了多级风扇与单级风扇相比几乎没有优点，它分量大、效率低，其实它是在

1.74o涡扇发动机的技主还不十分成熟的时候一种无耐的选择随着风扇单级增压比的一步步提高，现如今在中、高函道比的涡扇发动机上单级风扇以是一统天下比如在上使用的单级风扇其增压比高达GE-

901.65,如此之高的单级增压比以经再没有必要来串接第二级风扇但是在战斗机上使用的低函道比涡扇发动机还在使用着多级风级的结构比如在使用的F-15A±・涡扇发动机就是由三级构成，其总增压比达到了低函道涡扇发动机取如此高的风扇F100-PW

1002.95o增压比其实是风扇、低压压气机合二为一结果在战斗机上使用的低函道比涡扇发动机为了减少分量它的双转子其实是由风扇转子和压气机转子组成的双转子结构受战斗机的机内容积所限，采用大空气流量的高函道比涡扇发动机是不现实的，但为了提高推力只能提发动机的出口压力，再者风扇不光要提供全部的外函推力而且还要部份的承担压气机的任务，所以风扇只能采用比较高的增压比其实低函道比的涡扇发动机彩用多级风扇也是一种无耐之举，如果风扇的单级增压比能达到摆布3多级风扇的结构就将不会再浮现如果想要风扇的单级增压比达到一级只能是进一步提高风扇的的转速3并在风扇的叶型上作文章，风扇的叶片除了要使用宽弦叶片之外叶片还要带有一定的后掠角度以克服风扇在高速旋转时所产生的激波，惟独这样一级的单级风扇增压比才可能会实现相现这一点人们将会在二3十年之内作到压气机故名思意，就是用来压缩空气的一种机械在喷气发动机上所使用的压气机按其结构和工作原理可以分为两大类，一类是离心式压气机，一类是轴流式压气机离必式压气机的外形就像是一个钝角的扁圆锥体在这个圆锥体上有数条螺旋形的叶片，当压气机的圆盘运转时，空气就会被螺旋形的叶片“抓住”，在高速旋转所带来的巨大离心力之下，空气就会被甩进压气机圆盘与压气机机匣之间的空隙，从而实现空气的增压与离心式压气机不同，轴流式压气机是由多级风扇所构成的，其每一级都会产生一定的增压比，各级风扇的增压比相乘就是压气机的总增压比在现代涡扇发动机上的压气机大多是轴流式压气机，轴流式压气机有着体积小、流量大、单位效率高的优点，但在一些场合之下离心式压气机也还实用武之地，离心式压气机虽然效率比较差，而且分量大，但离心式压气机的工作比较稳定、结构简单而且单级增压比也比轴流式压气机要高数倍比如在我国台湾的上用的双转子结构的涡扇发动机上，其高压压气机就采用了四级轴流式与一级离心IDF TFE1042-70式的组合式压气机以减少压气机的级数多说一句，这样的组合式压气机在涡扇发动机上用的不多，但在直升机上所使用的涡轴发动机现在普通都为几级轴流式加一级离心式的组合结构比如国产的涡轴、6涡轴发动机就是级轴流式加级离心式构成的组合压气机而美国的“黑鹰”直升机上的811T700发动机其压气机为级轴流式加之级离心式51压气机是涡扇发动机上比较核心的一个部件在涡扇发动机上采用双转子结构很大程度上就是为了迎合压气机的需要压气机的效率高低直接的影响了发动机的工作效率目前人们的目标是提高压气机的单级增压比比如在上用的压气机风扇有级之多，平均单级增压比为这样级叶片的总增压J-

79171.16,17比大约为摆布，而用在波音上的的压气机的平均单级增压比以提高到了这样只要

12.5777GE-

901.36,十级增压叶片总增压比就可以达到摆布而・的动力23F22发动机的压气机更是了的，级风扇和级高压压气机的总增压比就达到了摆布，平均单级增F-1193625压比为平均单级增压比的提高对减少压气机的级数、减少发动机的总量、缩短发动机的总长度是

1.43大有好处的但随着压气机的增压比越来越高，压气机振喘和压气机防热的问题也就突现了出来在压气机中，空气在得到增压的同时，其温度也在上升比如当飞机在地面起飞压气机的增压比达到摆布时，压气机25的出口温度就会超过度而在战斗机所用的低函道比涡扇发动机中，在中低空飞行中由于冲压作用，500其温度还会提高而当压气机的总增压比达到摆布时，压气机的出口温度会达到度摆布如此高30600的温度会钛合金以是难当重任，只能由耐高温的银基合金取而代之，可是银基合金与钛合金相比基分量太大，所以说用料也需要改进，于是人们就又开辟了新型的耐高温钛合金。