无涡轮离散多核心机涡扇（桨）发动机 及其在大型运输机的运用 一、现代.doc

无涡轮离散多核心机涡扇（桨）发动机 及其在大型运输机的运用 一、现代民用航空发动机的重要性 1、安全是现代民用航空发动机的重要特性 航空安全是每一个乘客所要求的，每当发生空难，人们都会一时难于接受而不敢乘坐飞机，这不仅使该航空公司的正常运营受到严重的影响，而且还波及其他所有的航空公司的运营。几十年来，随着全世界航班数的不断增加，由于方方面面的努力与进步，每年的空难数和死亡人数反而不断地有所减少。这正是由于人们不断地致力于采取各种措施，提高航空安全的结果。在这些努力中，发动机本身的安全可靠显然起着重要的作用。早期的民用飞机只用一台发动机，一旦发动机发生无法排除的故障而停止运转，空难势必发生。后来，民用飞机多数采用两台发动机，甚至采用3 台或4 台发动机，这样，哪怕有一台发动机发生无法排除的故障而停车，飞机也还能够采取必要的措施安全地降落。 2、节能是现代民用航空发动机的重要发展方向 在航班的直接运营成本（DOC）中，燃油消耗占相当一部分，越是高效管理的航空公司，燃油的成本越显得重要。因此，必然对发动机的燃油消耗率提出越来越高的要求，也就是说要求不断地降低发动机的燃油消耗率。早期的单转子涡轮喷气发动机的燃油消耗率超过1.00kg/dN.h，双转子涡轮喷气发动机将燃油消耗率降低到大约0.80kg/dN.h，涡扇发动机则进一步将燃油消耗率降低到0.50kg/dN.h，现代高涵道比的涡扇发动机已经将燃油消耗率降低到0.30kg/dN.h 的水平。这正是对民用航空发动机高效率或高经济性的不断追求的结果。提高发动机性能，压气机增压比和涡轮前燃气温度起着决定性作用。经过几十年的努力，涡轮前燃气温度从早期的不到1000K 提高到1750K，压气机的增压比从早期的3-4提高到30-40，大大提高了发动机的性能水平。根据当前使用的涡轮前燃气温度，增压比已经达到或超过单位空气流量推力的最佳增压比。下表为主要民用涡扇发动机的主要数据。 二、多核心机先进民用航空发动机概念的提出 在21世纪使用的先进民用航空发动机必须具有长寿命、高可靠性、良好的维护性、大推力、低耗油率、低成本和低噪声等优点。其总增压比将达到40以上,现在的多轴涡扇发动机在高压压气机的设计上将遭遇困难。为此,国外曾于90 年代初提出了多核心机的涡扇发动机新概念。由于多核心机发动机的优势是在总增压比为40～100 ,引入实用尚不成熟,在国际上属于前瞻性概念,其研究还处于探索阶段。 1、多核心机发动机设计原理 多核心机发动机(见图1)设计的原理,类似常规的三轴涡轮风扇发动机(见图2),其风扇、低压压气机和高压压气机分别由各自的涡轮单独驱动。所不同的是,三转子发动机是三轴共心的;多核心机设计的高压部分,是由多个(一般为4～8个) 环绕发动机轴线均布的子核心机构成的。每个子核心机的轴线,都与发动机的轴线相平行。每个核心机都是完全相同的单元体设计。子核心机的高压压气机,不是轴流式结构,而是为短而增压功能更强的单级离心式压气机(或者单级斜流式压气机) 所取代。每个子核心机拥有自己的燃烧室和高压涡轮。高压涡轮可以设计成轴流式,也可以设计为径向式。中压涡轮和低压涡轮,与常规的三轴涡轮风扇发动机相同。从中压压气机流出来的空气,平均地进入各个核心机。从各子核心机高压涡轮流出的燃气,流经同一中压涡轮和同一低压涡轮。风扇出口的空气,与常规发动机一样,根据涵道比设计,按比例地分别进入外涵道和中压压气机。外涵空气与低压涡轮排出燃气,在发动机的混合段掺混或者分别从尾喷管排出。 2、多核心机的涡扇发动机的优点 由于多核心机独特的结构和热力循环方式,相对于一般的三轴发动机具有以下优点: (1)高压比带来的高推力 在常规的发动机上,提高发动机总增压比,使得叶轮机的出口面积急剧减小,造成叶尖间隙与叶片高度之比相对增加,级间串流和扰动也相对增加,且壁面附面层影响随之增加。当发动机总压比接近或超过40时,由于这些影响过大,造成压气机流动损失大大增加,严重地降低叶轮机的效率。而且压气机工作中容易发生气流堵塞,尤其是在低转速下难以保证压气机的稳定工作裕度。因此采用多核心机设计,可以有效地改善叶片通道的横截面积比和间隙叶高比,可以有效地改善轴流压气机的级间匹配设计,从而在保证叶轮机具有高效率的条件下,大幅度提高发动机增压比。,使发动机得到更大的有效功和推力,并保持较低的耗油率。 (2)高加温比带来的高单位推力 由于从中压压气机出来的气流,经过与外涵较冷空气的换热冷却后,再进入高压压气机,使高压压气机进口温度降低,从而改善了高压压气机的有效压缩,也相应降低了燃烧室进口温度,在燃烧室出口温度不变的条件下,提高了燃烧室加温比,从而提高了发动机的单位推力。同时,高压涡轮的尺寸较小,在涡轮的热负荷保持常规发动机涡轮的热负荷水平的条件下,有提高燃烧