现代飞机动力系统-涡轮发动机工作原理与未来展望.docx

涡扇，英文Turbofan，是指有管道的高速风扇，由燃气涡轮驱动。和所有燃气涡轮机一样，动力都是来自由空气压气机压缩，再与油料一起燃烧后的高能气体，用涡轮把高温高压的气体中部份的动能化为机械能，再用这机械能驱动前端的压气机继续吸入空气,燃气涡轮机的操作过程基本就是这样循环着。同时涡轮也驱动着高速风扇带来更多的推动力。 现代涡扇，通常风扇都在发动机的最前端。民航机或任何亚音速的飞机通常只有一级风扇。风扇后接着是低压气机，然后是高压气机。无论是高压还是低压，压气机的级数因个别设计而异。低压从小型涡轮的一级到大型民航机的九级不等。高压从小型的一级离心式到大型的17级不等的轴向式。新式的涡扇多是三轴的，一轴从另一轴间穿过。由不同级的涡轮以不同的速度驱动。现代涡扇发动机的压比大的可达40以上（GE90系列，Trent 900，1000）。压比越大效率越高越省油。 也有涡扇把风扇安装在后面。比如GE的CF700，虽然简化了发动机的构造，但是结果令人失望。第一，涡扇基本是一级低压缩比的压气机。早期的涡扇静压比在1.2左右，现代的大涵道涡扇可到1.8左右。涡扇后面要有足够长度的扩散器，让空气有效的把静压转换为动能。而后置式涡扇如果要做到这一点必须增加不必要的长度，影响飞机的升力。 其次是后置式涡扇因为前端压气机造成的付面層而让涡扇入口处的空气状态不理想，需要加大风扇的口径才能达到所要求的推动力。而大口径的风扇如果不增加推动力，飞行的阻力依旧的增加。所以推力/阻力比不好。 最后，前置式风扇的好处在于增加空气进入压气机前的压力，并且把速度减低，让进入压气机前空气先被处理过，缩小压气机的正面口径从而不增加发动机总体积的情况下增加涵道比。因为涡扇、低压机和高压机由不同的轴及涡轮以不同的速度驱动，总体操作范围可以受到控制，增加安全性。 现代民航用涡扇的涵道比可达8左右，而战斗机涡扇却只有在0.3-0.7之间。战斗机因为要兼顾亚音速的机动性和超音速的稳定性而不能有大涵道的经济。战斗机的涡扇通常要三级左右，更象压气机。双轴的战斗发动机则以几级的压气机同时兼顾低压和涡扇的功能。涵道比越大，涡扇在高亚音速的推动越有效，飞行就越省油。但一旦飞机超越音速，大涵道涡扇的效率就很快下降，涵道比越大高速阻力就越快超过推动力。 前不久有网友提到涡桨，跟涡扇混乱了。涡桨和涡扇不同的是那个管道，螺旋桨用涡轮燃气机驱动的就叫涡桨。还有就是速度，涡桨的旋转速度限制于桨叶尖的速度。在常用的螺旋桨尺寸中，通常旋转速度不会超过2000转/分钟。因为大于这个转速叶尖的速度会超过音速而造成效率下降，最终失速。所以涡桨发动机通常会有一个变速箱来调整螺旋桨的速度。涡桨在低亚音速时最有效（大概时速400英里以下）。当空速提高到某一程度时需要的桨叶两面的压力差距会很大，区区几片桨叶无法把压力的差距顶住，所以需要很多片桨叶。同时需要一个管筒封住叶尖以免空气因压力差距而向前流。以下为航空涡轮发动机介绍。 小型涡扇Williams International FJ44 最大直径21英寸 涵道比忘了，应该在2-3左右 推力在3500磅左右 FJ44的“内脏” 最前端那个是风扇，后面跟着是低压机，高压机，然后是高压涡轮，最后两级是低压涡轮。 高压涡轮靠一条空心轴连接高压缩机上，低压涡轮靠另一条轴穿过第一条空心轴连接低压缩机。两条轴的速度不一样，主要目的是使各轴的速度与高低压压气机的气流速度相匹配。这高压机是离心式的，用在较小的发动机上。 现在很多发动机生产商都在发展双轴对转的发动机，目的是要减少飞机作机动飞行时作用于发动机机匣上的载荷，使机匣可以作得轻些；还可以省去低压涡轮导向器，使发动机零件数、长度、重量均减少。战机利用这种设计可以增加机头的指向能力。 这就是CF700。风扇在后头。与最后的一级涡轮安在同一条轴上 下图示很奇怪的涡桨UDF。两节螺旋桨安在燃气涡轮机后面由个别涡轮驱动。螺旋桨的转动方向不一样 把航空界吓呆的Trent 1000，大涵道涡扇，涵道比8左右。看看它的风扇比涡轮“心”大多少!! 再看看普惠早期JT8D小涵道涡扇 涡桨是燃气涡轮驱动的螺旋桨机，我看过最多只有八片桨叶。涡扇却可以有几十片桨叶。涡扇都有一个大鼓圈着，经过桨叶后的压力比涡桨高。在那个鼓里的涵道通常横切面积往后扩张，以便把静压化为动压来推动飞行器。 TPE331 涡桨。前面乱七八糟的是变速箱。两级离心式压气机，三级轴向式涡轮。离心式压气机的好处是单级压比高，体积小。可是能承受的流量小。小发动机比较多都用离心式的，即足够供应空气流量，又能把发动机体积减至最小。 涡桨 TP400，给A400M运输机用的，一样有变速箱，但和TPE331不一样的地方是压气机。TP400有五级低压，六