苏联的三转子涡扇发动机.docVIP

苏联的三转子涡扇发动机 开题先从发动机喘振谈起。 发动机的喘振，实际上是发动机的压气机的喘振。 看一下轴流压气机的速度三角形 气流的绝对速度C是牵连速度U与相对速度W的矢量和。牵连速度U就是叶片在压气机上转动的切线速度。相对速度W是气流相对叶片的流动速度。当流量降低，速度C减小，而转速U不变时，气流进入叶栅速度W的方向变化，从上图的红色方向变成黑色方向。可以看到叶片相对气流的攻角增大，叶背出现气流分离，发生喘振。气流沿着压气机轴向前后振荡运动，发动机熄火停车，甚至发生损坏，引起严重事故。 下面看几张讲述喘振的幻灯片或截图。 ? 至此，应该进入三转子发动机的正题了。采用三转子结构，可以防喘振。除去这个因素以外，吸引人们采用三转子结构还有第二个重要原因。大家知道，从工程热力学可以得知，热力循环的压缩比越高，发动机的热效率也越高。因而涡扇发动机压气机的压缩比不断提高，从早期的小于10，发展提高到现代的30—40，罗罗公司的遄达XWB整体压缩比达到52。压缩比大幅度提高，三转子结构容易达到数倍增加的压气机高压缩比，还具有优良的防喘振能力。三转子结构的采用，还有第三个原因，高亚音速大型客机和货机，喜欢配备高旁通比的涡扇发动机。高旁通比，意味着发动机排出气体的流量显著增大，而喷气射流的速度相对降低。对于讲究效益的大型运输飞机，低旁通比、高喷流速度的一般涡扇发动机的推进效率低，当然消耗燃料更多。关于推进效率，人们推导出来的公式是： ? 　　推进效率 = 传给飞行器的推进功率 / 进排气的机械能之差 根据计算可知，发动机的推进效率仅与进气速度（等于飞机飞行速度）和排气速度有关： ?????????????????? 2 推进效率 = ——————————— ??????????????????????????????? 1+排气速度/进气速度 可以看出，当涡扇发动机排气速度等于飞机飞行速度时推进效率等于“1”或百分之百。排气速度高于飞行速度时推进效率降低。飞机刹车停在跑道上，发动机油门再大，排气速度再高，推力再大，推进效率还是等于“0”。飞机没有运动，速度为零，推力再大，推进功率也是零，推进效率当然也是零。原来的涡喷或涡扇发动机，排气速度都相当高。采用高旁通比，利用风扇加大流量，排气速度降低到接近高亚音速客机的飞行速度，能够得到更好的推进效率。这就是采用高旁通比涡扇发动机的现代高亚音速客机相当节省燃油的原因。当旁通比增大，风扇直径大大增加时，风扇的适合的转速当然要显著降低，这样的转速与压气机适合的转速的差别很大。例如GE90涡轮风扇发动机的风扇叶尖切线速度371m/s。风扇转速为2304r/min。高压压气机叶尖切线速度为455m/s，转速为10396r/min。转速相差四倍。再以以CFM-56涡扇发动机为例，风扇转子最高转速为5000 r/min 左右，而高压转子最高转速达到15000Rr/min相差三倍。这种情况下，再增设一个更低转速的风扇转子，形成三转子发动机当然受到欢迎。 三转子结构，共轴安排三个转子。内轴是低压涡轮带动风扇，转速最低。中轴是中压涡轮带动低压压气机，转速较高。外轴是高压涡轮带动高压压气机，转速最高。与双转子涡扇发动机相比，它的三个转子可分别在最佳转速下工作，使转子级数、叶片数和可调叶片数减少。由于转子级数少，转子可较短，提高转子刚性，减小性能衰退率。 简而言之，防止喘振、高压缩比、高旁通比、适合转速的巨大差别这四个因素支持三转子发动机的发展。 ? 但是，三转子结构，内、中、外三个套轴高速、大功率旋转，在结构动力学方面，尤其是振动、共振、过临界转速、三个转子的统筹控制等方面，技术难度难以想象。因此直到现在，三转子结构仍然是严重的技术挑战，也是技术水平的非凡标志之一。 英国罗罗公司研制生产出世界第一种三转子结构的RB—211涡扇发动机。后来又发展出RB—199以及现在的遄达涡扇发动机。遄达—875风扇直径为2794mm。若叶尖速度为400 m / s (CFM-56风扇5000 rpm 最高转速时的轮缘速度)，则相应的转速为2700 rpm。 RB-211三转子涡扇发动机结构示意图，摘自北航课件并标注 ?Trent 900 三转子涡扇发动机结构图 遄达—700发动机高压压气机转速为10000 rpm，中压压气机转速为7000 rpm。有报导遄达—1000的风扇转速为2700rpm. （ “ #3 The 112″ fan spins at over 2700 RPM with tip speeds over 900 mph, but the blades inside the engine spin at 13,500 RPM with tip speeds topping 1200 mph. ”摘自《 Ten Inte