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渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)原理

其實(shí)大部分都懂了，就是為什么燃燒室噴出來的空氣會(huì)在穩(wěn)定的時(shí)候向一個(gè)方向噴，這個(gè)趨勢(shì)一定是在啟動(dòng)時(shí)就具有了。我知道，這是壓縮機(jī)的效果，但是，有一點(diǎn)不懂，為什么就因?yàn)閴嚎s機(jī)那邊的風(fēng)扇多一些，氣流向那邊噴的趨勢(shì)就會(huì)小一些。希望懂的大俠給出一下力學(xué)解釋。
問 提問者：網(wǎng)友 2017-06-06
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扇發(fā)動(dòng)機(jī)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)分支,從血緣關(guān)系上來說渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該算得上是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的小弟弟.從結(jié)構(gòu)上看,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)只不過是在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之前(之后)加裝了風(fēng)扇而已.然而正是這區(qū)區(qū)的幾頁風(fēng)扇把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)格的區(qū)分開來.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)"小弟弟"仗著自已身上的幾頁風(fēng)扇也青出于藍(lán). 現(xiàn)代的軍用戰(zhàn)斗機(jī)要求越來越高的機(jī)動(dòng)性能,較高的推重比能賦予戰(zhàn)斗機(jī)很高的垂直機(jī)動(dòng)能力和優(yōu)異的水平加速性能.而且在戰(zhàn)時(shí),如果本方機(jī)場(chǎng)遭到了對(duì)方破壞,戰(zhàn)斗機(jī)還可以利用大推力來減少飛機(jī)的起飛著陸距離.比如裝備了f-100-pw-100的f-15a當(dāng)已方機(jī)機(jī)的跑道遭到部分破壞時(shí),f-15可以開全加力以不到300米的起飛滑跑距離起飛.在降落時(shí)可以用60度的迎角作低速平飛,在不用減速傘和反推力的情況下,只要500米的跑道就可以安全降落. 更高的推重比是每一個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員所夢(mèng)寐以求的.但戰(zhàn)斗機(jī)的推重比在很大和度上是受發(fā)動(dòng)機(jī)所限--如果飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比小于6一級(jí)的話,其飛機(jī)的空戰(zhàn)推重比就很難達(dá)到1,如果強(qiáng)行提高飛機(jī)的推重比的話所設(shè)計(jì)的飛機(jī)將在航程、武器掛載、機(jī)體強(qiáng)度上付出相當(dāng)大的代價(jià).比如前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的蘇-11戰(zhàn)斗機(jī)使用了推重比為4.085的ал-7ф-1-100渦噴發(fā)動(dòng)機(jī).為了使飛機(jī)的推重比達(dá)到1,蘇-11的動(dòng)力裝置重量占了飛機(jī)起飛重量的26.1%.相應(yīng)的代價(jià)是飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑只有300公里左右. 而在民用客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和軍用的轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)方面.隨著新材料的運(yùn)用飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)作的越來越大,起飛重量也就越來越大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求也越來越高.在高函道比大推力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前,人們只能采用讓大型飛機(jī)掛更多的發(fā)動(dòng)機(jī)的方法來解決發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不足問題.比如b-52g轟炸機(jī)的翼下就掛了八臺(tái)j-57-p-43w渦噴發(fā)動(dòng)機(jī).該發(fā)動(dòng)機(jī)的單臺(tái)最大起飛推力僅為6237公斤(噴水).如果b-52晚幾年出生的話它完全可以不掛那么多的發(fā)動(dòng)機(jī).在現(xiàn)在如果不考慮動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性,像b-52之類的飛機(jī)只裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也未嘗不可. 而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生就是為了順應(yīng)人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越高的推力要求而誕生的.因?yàn)樘岣邍姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)的推力最簡(jiǎn)單的辦法就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量. 一、歷史 在五十年代未、六十年代初,作為航空動(dòng)力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)以經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?當(dāng)時(shí)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)總增壓比以經(jīng)可以達(dá)到14左右,而渦輪前的最高溫度也以經(jīng)達(dá)到了1000度的水平.在這樣的條件下,渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行部分的能量輸出以經(jīng)有了可能.而當(dāng)時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求又是那樣的迫切,人們很自然的想到了通過給渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加裝風(fēng)扇以提高迎風(fēng)面積增大空氣流量進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力. 當(dāng)時(shí)人們通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),以當(dāng)時(shí)的渦噴發(fā)動(dòng)的技術(shù)水平,在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加裝了風(fēng)扇變成了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之后,其技術(shù)性能將有很大的提高.當(dāng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇空飛流量與核心發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量大至相當(dāng)時(shí)(函道比1:1),發(fā)動(dòng)機(jī)的地面起飛推力增大了面分之四十左右,而高空巡航時(shí)的耗油量卻下降了百分之十五,發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到了極大的提高. 這樣的一種有著渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)無法比及的優(yōu)點(diǎn)的新型航空動(dòng)力理所當(dāng)然的得到了西方各強(qiáng)國的極大重視.各國都投入了極大的人力、物力和熱情來研究試制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最初研制的道路上英國人走在了美國人之前.英國的羅爾斯·羅伊斯公司從一九四八年就開始就投入了相當(dāng)?shù)木硌兄扑麄兊?quot;康維"渦扇發(fā)動(dòng)機(jī).在一九五三年的時(shí)候"康維"進(jìn)行了第一次的地面試車.又經(jīng)過了六年的精雕細(xì)刻,一九五九年九月"康維mk-508"才最終定型.這個(gè)經(jīng)過十一年孕婦的難產(chǎn)兒有著當(dāng)時(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)難以望其項(xiàng)背的綜合性能."康維"采用了雙轉(zhuǎn)子前風(fēng)扇的總體結(jié)構(gòu),函道比為0.3推重比為3.83地面臺(tái)架最大推力為7945公斤,高空巡航推力為2905公斤,最大推力時(shí)的耗油量為0.735千克/小時(shí)/千克,壓氣機(jī)總增壓比為14,風(fēng)扇總增壓比為1.90,而且英國人還在"康維"上首次采用了氣冷的渦輪葉片.當(dāng)康維最終定型了之后,英國人迫不及待的把他裝在了vc-10上! 美國人在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)上比英國人慢了一拍,但是其技術(shù)起點(diǎn)非常的高.美國人并沒有走英國人從頭研制的老路,美國的普·惠公司利用自已在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的豐富的技術(shù)儲(chǔ)備,采用了以經(jīng)非常成熟的j-57作為新渦扇發(fā)動(dòng)的內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī).j-57是美國人從1947年就開始設(shè)計(jì)的一種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),1949年完成設(shè)計(jì),1953年正式投產(chǎn).j57在投產(chǎn)階段共生產(chǎn)了21226臺(tái)是世界上產(chǎn)量最大的三種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之一,先后裝備了f-100、f-101、f-102、b-52等機(jī)種.j-57在技術(shù)上也有所突破,他是世界上第一臺(tái)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),由單轉(zhuǎn)子到雙轉(zhuǎn)子是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的一大進(jìn)步.不光是核心發(fā)動(dòng)機(jī),就連風(fēng)扇普惠公司也都是采用的以經(jīng)相當(dāng)成熟的部件,以被撤消了型號(hào)的j91核動(dòng)力噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)葉片被普惠公司拿來當(dāng)作新渦扇的風(fēng)扇.一九六零年七月,普惠公司的jt3d渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生了.jt3d的最終定型時(shí)間比羅羅的康維只晚了幾個(gè)月,可是在性能上卻是大大的提高.jt3d也是采用了雙軸前風(fēng)扇的設(shè)計(jì),地面臺(tái)架最大推力8165公斤,高空巡航推力2038公斤,最大推力耗油0.535千克/小時(shí)/千克,推重比4.22,函道比1.37,壓氣機(jī)總增壓比13.55,風(fēng)扇總增壓比1.74(以上數(shù)據(jù)為jt3d-3b型發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)).jt3d的用處很廣,波音707、dc-8用的都是jt3d.不光在民用,在軍用方面jt3d也大顯身手,b-52h、c-141a、e-3a用的都是jt-3d的軍用型tf-33. 現(xiàn)今世界的三大航空動(dòng)力巨子中的羅·羅、普·惠,都以先后推出了自已的第一代渦扇作品.而幾乎是在同一時(shí)刻,三巨頭中的令一個(gè)也推出了自已的第一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī).在羅·羅推出"康維"之后第八個(gè)月、普·惠推出jt-3d的前一個(gè)月.通用動(dòng)力公司也定型了自已的第一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)cj805-23.cl805-23的地面臺(tái)架最大推力為7169公斤,推重比為4.15,函道比為1.5,壓氣機(jī)增壓比為13,風(fēng)扇增壓比為1.6,最大推力耗油0.558千克/小時(shí)/千克.與普·惠一樣,通用動(dòng)力公司也是在現(xiàn)有的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)之上研發(fā)自已的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),被用作新渦扇的內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī)的是j79.j-79與1952年開始設(shè)計(jì),與1956年投產(chǎn),共生產(chǎn)了16500多臺(tái),他與j-57一樣也是有史以來產(chǎn)量最高的三種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之一.與j57的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不不同,j79是單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).在j-79上首次采用了壓氣機(jī)可調(diào)整流葉片和加力全程可調(diào)噴管,j-79也是首次可用于兩倍音速飛行的航空發(fā)動(dòng)機(jī). 通用動(dòng)力公司的cj805-23渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的中一個(gè)決對(duì)另類的產(chǎn)品,讓cj805-23如此與眾不同的地方就在于他的風(fēng)扇位置.他是唯一采用后風(fēng)扇設(shè)計(jì)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī). 在五六十年代,人們?cè)谠O(shè)計(jì)第一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候遇到了很大的困難.首先是由于大直徑的風(fēng)扇與相對(duì)小直徑的低壓壓氣機(jī)聯(lián)動(dòng)以后風(fēng)扇葉片的翼尖部分的線速度超過了音速,這個(gè)問題在當(dāng)時(shí)很難解決,因?yàn)闆]有可利用的公式來進(jìn)行運(yùn)算人們只能用一次又一次的試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)、解決問題.第二是由于在壓氣機(jī)之前多了風(fēng)扇使得壓氣機(jī)的工作被風(fēng)扇所干攏.第三是細(xì)長(zhǎng)的風(fēng)扇葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的振動(dòng). 而通用動(dòng)力公司的后風(fēng)扇設(shè)計(jì)一下子完全避開了這三個(gè)最主要的困難.cj805-23的后風(fēng)扇實(shí)際上是一個(gè)雙節(jié)的葉片,葉片的下半部分是渦輪葉片,上半部分是風(fēng)扇葉片.這樣的一個(gè)葉片就像渦軸發(fā)動(dòng)的自由渦輪一樣被放在內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部.葉片與核心發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有絲毫的機(jī)械聯(lián)系,這樣人們就可以隨心所欲的來設(shè)計(jì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,而且葉片的后置也不會(huì)對(duì)壓氣機(jī)產(chǎn)生不良影響.但在回避困難的同時(shí)也引發(fā)了新的問題. 首先是葉片的受熱不勻,cj805-23的后風(fēng)扇葉片的渦輪部分在工作時(shí)的最高溫度達(dá)到了560度,而風(fēng)扇部分的最低溫度只有38度.其次,由于后風(fēng)扇不像前風(fēng)扇那樣工作在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端,而是工作在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端,這樣一來風(fēng)扇的可靠性也隨之下降,而飛機(jī)對(duì)其動(dòng)力的要求最重要的一條就是萬無一失.而且風(fēng)扇后置的設(shè)計(jì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的由于形狀上的原因其飛行阻力也要大于風(fēng)扇前置的發(fā)動(dòng)機(jī). 當(dāng)"康維"、jt-3d、cj805-23這些渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)紛紛定型下線的時(shí)候,人們也在不斷的反思在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程.人們發(fā)現(xiàn),如果一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)如果真的像"康維"那樣從一張白紙上開始試制則最少要用十年左右的時(shí)間新發(fā)動(dòng)機(jī)才能定型投產(chǎn).而如果像jt-3d或cj805-23那樣利用以有的一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為內(nèi)函發(fā)動(dòng)機(jī)來研制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的話,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上最難解決的部分都以得到了解決,所以無論從時(shí)間上還是金錢、人力、物力上都要節(jié)省很多.在這樣的背景之下,為了縮短新渦扇的研制時(shí)間、減少開發(fā)費(fèi)用.美國政府在還末對(duì)未來的航空動(dòng)力有十分明確的要求的情況下,從一九五九年起開始執(zhí)行"先進(jìn)渦輪燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃",這個(gè)計(jì)劃的目地就是要利用最最新的科研成果來試制一種燃?xì)夂诵臋C(jī),并進(jìn)行地面試車,以暴露解決各部分的問題.在這個(gè)燃?xì)夂诵臋C(jī)的其礎(chǔ)之上進(jìn)行放大或縮小,再加裝其它的部件,如壓氣機(jī)、風(fēng)扇等等就可以組裝成不同類型的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī).如渦扇、渦噴、渦軸、渦槳等等."先進(jìn)渦輪燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃"實(shí)際上是一個(gè)有相當(dāng)前瞻意味的預(yù)研工程. 用今天的眼光來看,這個(gè)工程的指導(dǎo)方向無疑是正確的.美國的政府實(shí)際上是在激勵(lì)本國的兩大動(dòng)力公司向航空動(dòng)力系統(tǒng)中最難的部分開刀.因?yàn)樵谌細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中最最嚴(yán)重的技術(shù)難點(diǎn)就產(chǎn)生在這個(gè)以燃?xì)獍l(fā)生器和燃?xì)鉁u輪為主體的燃?xì)夂诵臋C(jī)上.在每一臺(tái)以高溫燃?xì)鈦眚?qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)上,由燃?xì)獍l(fā)生器和燃?xì)鉁u輪所組成的燃?xì)夂诵臋C(jī)的工作地點(diǎn)將是這臺(tái)發(fā)動(dòng)的最高溫度、最大壓力的所在地.所以其承受的應(yīng)力也就最大,工作條件也最為苛刻.但燃?xì)夂诵臋C(jī)的困難不只是壓力和溫度,高轉(zhuǎn)數(shù)所帶來的巨大的離心力、飛機(jī)在加速時(shí)的巨大沖擊,如果是戰(zhàn)斗機(jī)還要考慮到當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的過載和因過載以引起的零部件變形.在為數(shù)眾多的困難中單拿出無論哪一個(gè)都將是一個(gè)工程上的巨大難題.但如果這些問題不被解決掉那么更先進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)也就無從談起. 在這個(gè)計(jì)劃之下,普惠公司與通用動(dòng)力公司都很快的推出了各自研發(fā)的燃?xì)夂诵臋C(jī).普惠公司的核心機(jī)被稱作stf-200而通用動(dòng)力公司的燃?xì)夂诵臋C(jī)為ge-1.時(shí)至今日美國人在四十年前發(fā)起的這場(chǎng)預(yù)研還在發(fā)揮著他的作用,現(xiàn)如今普惠公司和通用動(dòng)力公司出品的各式航空發(fā)動(dòng)機(jī)如果真的都求其根源都話,它們卻都是來自于stf-200與ge-1這兩個(gè)老祖宗. 二、單轉(zhuǎn)子和多轉(zhuǎn)子 在研制一臺(tái)新的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候,最先解決的問題是他的總體結(jié)構(gòu)問題.總體結(jié)構(gòu)的問題說明白一些就是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)目多少.目前渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的總體結(jié)構(gòu)無非是三種,一是單轉(zhuǎn)子、二是雙子、三是三轉(zhuǎn)子.其中單轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只有一根軸,風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪全都在這一根軸上.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的好處也不言自明--省錢!一方面的節(jié)省就總要在另一方而復(fù)出相應(yīng)的代價(jià). 首先從理論上來說單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)可以作成任意多的級(jí)數(shù)以期達(dá)到一定的增壓比.可是因?yàn)閱无D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)限制使其風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、低壓渦輪、高壓渦輪必須都安裝在同一根主軸之上,這樣在工作時(shí)他們就必須要保持相同的轉(zhuǎn)速.問題也就相對(duì)而出,當(dāng)單轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)其轉(zhuǎn)數(shù)突然下降時(shí)(比如猛收小油門),壓氣機(jī)的高壓部分就會(huì)因?yàn)榈貌坏阶銐虻霓D(zhuǎn)數(shù)而效率嚴(yán)重下降,在高壓部分的效率下降的同時(shí),壓氣機(jī)低壓部分的載荷就會(huì)急劇上升,當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C(jī)部分超載運(yùn)行時(shí)就會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘,而在正常的飛行當(dāng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘是決對(duì)不被允許的,因?yàn)樵谡５娘w行中發(fā)動(dòng)機(jī)一但發(fā)生振喘飛機(jī)十有八九就會(huì)掉下來.為了解決低壓部分在工作中的過載只好在壓氣機(jī)前加裝導(dǎo)流葉片和在壓氣機(jī)的中間級(jí)上進(jìn)行放氣,即空放掉一部分以經(jīng)被增壓的空氣來減少壓氣機(jī)低壓部分的載荷.但這樣以來發(fā)動(dòng)機(jī)的效率就會(huì)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(jī)上的作用也不是十分的明顯.更要命的問題發(fā)生在風(fēng)扇上,由于風(fēng)扇必須和壓氣機(jī)同步,受壓氣機(jī)的高轉(zhuǎn)數(shù)所限單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)只能選用比較小的函道比.比如在幻影-2000上用的m-53單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),其函道只有0.3.相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比也比較小,只有5.8. 為了提高壓氣機(jī)的工作效率和減少發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中的振喘,人們想到了用雙轉(zhuǎn)子來解決問題,即讓發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)速之下.這樣低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪聯(lián)動(dòng)形成了低壓轉(zhuǎn)子,高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪聯(lián)動(dòng)形成了高壓轉(zhuǎn)子.低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以相對(duì)低一些.因?yàn)閴嚎s作用在壓氣機(jī)內(nèi)的空氣溫度升高,而音速是隨著空氣溫度的升高而升高的,所以而高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)的相對(duì)高一些.即然轉(zhuǎn)速提高了,高壓轉(zhuǎn)子的直徑就可以作的小一些,這樣在雙轉(zhuǎn)子的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上就形成了一個(gè)"蜂腰",而發(fā)動(dòng)機(jī)的一些附屬設(shè)備比如燃油調(diào)節(jié)器、起動(dòng)裝置等等就可以很便的裝在這個(gè)"蜂腰"的位置上,以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積降低飛行阻力.雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的好處不光這些,由于一般來說雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的的高壓轉(zhuǎn)子的重量比較輕,起動(dòng)慣性小,所以人們?cè)谠O(shè)計(jì)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候都只把高壓轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成用啟動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng),這樣和單轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比雙轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)也比較容易,啟動(dòng)的能量也要求較小,啟動(dòng)設(shè)備的重量也就相對(duì)降低. 然而雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)也并不是完美的.在雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上,由于風(fēng)扇要和低壓壓氣機(jī)聯(lián)動(dòng),風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)就必須要互相將就一下對(duì)方.風(fēng)扇為將就壓氣機(jī)而必需提高轉(zhuǎn)數(shù),這樣直徑相對(duì)比較大的風(fēng)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(fēng)扇的重量不能太大,在風(fēng)扇的重量不能太大的情況下風(fēng)扇的葉片長(zhǎng)度也就不能太長(zhǎng),風(fēng)扇的直徑小下來了,函道比自然也上不去,而實(shí)踐證明函道比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)推力也就越大,而且也相對(duì)省油.而低壓壓氣機(jī)為了將就風(fēng)扇也不得不降低轉(zhuǎn)數(shù),降低了壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)壓氣機(jī)的工作效率自然也就上不去,單級(jí)增壓比降低的后果是不得不增加壓氣機(jī)風(fēng)扇的級(jí)數(shù)來保持一定的總增壓比.這樣壓氣機(jī)的重量就很難得以下降. 為了解壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)上的矛盾.人們很自然的想到了三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),所謂三轉(zhuǎn)子就是在二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上又了多了一級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子.這樣風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)都自成一個(gè)轉(zhuǎn)子,各自都有各自的轉(zhuǎn)速.三個(gè)轉(zhuǎn)子之間沒有相對(duì)固定的機(jī)械聯(lián)接.如此一來,風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子就不用相互的將就行事,而是可以各自在最為合試的轉(zhuǎn)速上運(yùn)轉(zhuǎn).設(shè)計(jì)師們就可以相對(duì)自由的來設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇直徑以及函道比.而低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以不受風(fēng)扇的肘制,低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速提高之后壓氣的的效率提高、級(jí)數(shù)減少、重量減輕,發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度又可以進(jìn)一步縮小. 但和雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比,三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變的復(fù)雜.三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有三個(gè)相互套在一起的共軸轉(zhuǎn)子,因而所需要的軸承支點(diǎn)幾乎比雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)多了一倍,而且支撐結(jié)構(gòu)也更加的復(fù)雜,軸承的潤(rùn)滑和壓氣機(jī)之間的密閉也更困難.三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)多了很多工程上的難題,可是英國的羅·羅公司還是對(duì)他情有獨(dú)鐘,因?yàn)樵诒砻娴睦щy背后還有著巨大的好處,羅羅公司的rb-211上用的就是三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).轉(zhuǎn)子數(shù)量上的增加換來了風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪的簡(jiǎn)化. 三轉(zhuǎn)子rb-211與同一技術(shù)時(shí)期推力同級(jí)的雙轉(zhuǎn)子的jt-9d相比:jt-9d的風(fēng)扇頁片有46片,而rb-211只有33片;壓氣機(jī)、渦輪的總級(jí)數(shù)jt-9d有22級(jí),而rb-211只有19級(jí);壓氣機(jī)葉片jt-9d有1486片,rb-211只有826片;渦輪轉(zhuǎn)子葉片rb211也要比jt9d少,前者是522片,而后者多達(dá)708片;但從支撐軸承上看,rb-211有八個(gè)軸承支撐點(diǎn),而jt9d只有四個(gè). 三、風(fēng)扇 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外函推力完全來自于風(fēng)扇所產(chǎn)生的推力,風(fēng)扇的的好壞直接的影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,這一點(diǎn)在高函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上由是.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇發(fā)展也經(jīng)歷了幾個(gè)過程.在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之初,由于受內(nèi)函核心機(jī)功率和風(fēng)扇材料的機(jī)械強(qiáng)度的限制,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的函道比不可能作的很大,比如在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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所采用的風(fēng)扇還是后獨(dú)一無二的后風(fēng)扇. 在前風(fēng)扇設(shè)計(jì)的二款發(fā)動(dòng)機(jī)中jt3d的函道比大一些達(dá)到了1.37.達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積也隨之變大.風(fēng)扇的葉片也要作的很長(zhǎng).jt3d的一級(jí)風(fēng)扇的葉片長(zhǎng)度為418.2毫米.而j57上的最長(zhǎng)的壓氣機(jī)葉片也就大約有二百毫米左右.當(dāng)風(fēng)扇葉片變的細(xì)長(zhǎng)之后,其彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力加大,在工作中振動(dòng)的問題也突現(xiàn)了出來.為了解決細(xì)長(zhǎng)的風(fēng)扇葉片所帶來的麻煩,普惠公司采用了阻尼凸臺(tái)的方法來減少風(fēng)扇葉片所帶來的振動(dòng).凸臺(tái)位于距風(fēng)扇葉片根處大約百分之六十五的地方.jt3d發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇部分裝配完成之后,其風(fēng)扇葉上的凸臺(tái)就會(huì)在葉片上連成一個(gè)環(huán)形的箍.當(dāng)風(fēng)扇葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),凸臺(tái)與凸臺(tái)之間就會(huì)產(chǎn)生摩擦阻尼以減少葉片的振動(dòng).加裝阻尼凸臺(tái)之后其減振效果是明顯的,但其阻尼凸臺(tái)的缺點(diǎn)也是明顯的.首先他增加了葉片的重量,其次他降底了風(fēng)扇葉片的效率.而且如果設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑挳?dāng)空氣高速的流過這個(gè)凸臺(tái)時(shí)會(huì)發(fā)生畸變,氣流的畸變會(huì)引發(fā)葉片產(chǎn)生更大的振動(dòng).而且如果采用這種方法由于葉片的質(zhì)量變大,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇本身會(huì)產(chǎn)生更大的離心力.這樣的風(fēng)扇葉片很難作的更長(zhǎng),沒有更長(zhǎng)的葉片也就不會(huì)有更高的函道比.而且細(xì)長(zhǎng)的風(fēng)扇葉片的機(jī)械強(qiáng)度也很低,在飛機(jī)起飛著陸過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)一但吸入了外來物,比如飛鳥之類,風(fēng)扇的葉片會(huì)更容易被損壞,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中折斷的風(fēng)扇葉片會(huì)像子彈一樣打穿外函機(jī)匣釀成大禍.解決風(fēng)扇難題一個(gè)比較完美的辦法是加大風(fēng)扇葉片的寬度和厚度.這樣葉片就可以獲得更大的強(qiáng)度以減少振動(dòng)和外來物打擊的損害,而且如果振動(dòng)被減少到一定程度的話阻尼凸臺(tái)也可以取消.但更厚重的扇葉其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力也將是巨大的.這樣就必需要加強(qiáng)扇葉和根部和安裝扇葉的輪盤.但航空發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)不起這樣的重量代價(jià).風(fēng)扇葉片的難題大大的限制了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展. 更高的轉(zhuǎn)數(shù)、高大的機(jī)械強(qiáng)度、更長(zhǎng)的葉片、更輕的重量這樣的一個(gè)多難的問題最終在八十年代初得到了解決. 1984年10月,rb211-535e4掛在波音七五七的翼下投入了使用.它是一臺(tái)有著跨時(shí)代意義的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī).讓它身負(fù)如此之名的就是他的風(fēng)扇.羅·羅公司用了創(chuàng)造性的方法解決了困擾大函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的多難問題.新型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片叫作"寬弦無凸肩空心夾層結(jié)構(gòu)葉片".故名思意,新型風(fēng)扇的葉片采用了寬弦的形狀來加大機(jī)械強(qiáng)度和空心結(jié)構(gòu)以減少重量.新型的空心葉片分成三個(gè)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制成,在兩塊薄板之間是同樣用鈦合金作成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的"芯".通過活性擴(kuò)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(qiáng)度.這樣的一塊鈦合金三明治一下子解決了困擾航空動(dòng)力工業(yè)幾十年的大難題. 新型風(fēng)扇不光是重量輕、強(qiáng)度大,而且因?yàn)樗∠藗鹘y(tǒng)細(xì)長(zhǎng)葉片上的阻尼凸臺(tái)他的工作效率也要更高一些.風(fēng)扇扇葉的數(shù)量也減少了將近三分之一,rb211-535e4發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇扇葉只有二十四片. 1991年7月15日新型寬弦葉片經(jīng)受了一次重大的考驗(yàn).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(fā)動(dòng)機(jī)吸入了一只5.44千克重的印度禿鷲!巨鳥以差不多三百公里的時(shí)速迎頭撞到了發(fā)動(dòng)機(jī)的最前端部件--風(fēng)扇上!可是發(fā)動(dòng)機(jī)在遭到如此重創(chuàng)之后仍在正常工作,飛機(jī)安全的降落了.在降落之后,人們發(fā)現(xiàn)v-2500的22片寬弦風(fēng)扇中只有6片被巨大的沖擊力打變了形,沒有一片葉片發(fā)生折斷.發(fā)動(dòng)機(jī)只在外場(chǎng)進(jìn)行了更換葉片之后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(jié)構(gòu)葉片"的巨大成功. 解決寬弦風(fēng)扇的問題并不是只有空心結(jié)構(gòu)這一招.實(shí)際上,當(dāng)風(fēng)扇的直徑進(jìn)一步加大時(shí),空心結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇扇葉也會(huì)超重.比如在波音777上使用的ge-90渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),其風(fēng)扇的直徑高達(dá)3.142米.即使是空心蜂窩結(jié)構(gòu)的鈦合金葉片也會(huì)力不從心.于是通用動(dòng)力公司便使用先進(jìn)的增強(qiáng)環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料來制造巨型的風(fēng)扇扇葉.碳纖維復(fù)合材料所制成的風(fēng)扇扇葉結(jié)構(gòu)重量極輕,而強(qiáng)度卻是極大.可是在當(dāng)復(fù)合材料制成的風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遭到特大鳥的撞擊會(huì)發(fā)生脫層現(xiàn)像.為了進(jìn)一步的增大ge-90的安全系數(shù),通用動(dòng)力公司又在風(fēng)扇的前緣上包覆了一層鈦合金的蒙皮,在其后緣上又用"凱夫拉"進(jìn)行縫合加固.如此以來ge-90的風(fēng)扇可謂萬無一失. 當(dāng)高函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇從傳統(tǒng)的細(xì)長(zhǎng)窄弦葉片向?qū)捪胰~片過渡的時(shí)候,風(fēng)扇的級(jí)數(shù)也經(jīng)歷了一場(chǎng)從多級(jí)風(fēng)扇到單級(jí)風(fēng)扇的過渡.在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生之初,由于風(fēng)扇的單級(jí)增壓比比較低只能采用多級(jí)串聯(lián)的方式來提高風(fēng)扇的總增壓比.比如jt3d的風(fēng)扇就為兩級(jí),其平均單級(jí)增壓比為1.32,通過兩級(jí)串聯(lián)其風(fēng)扇總增壓比達(dá)到了1.74.多級(jí)風(fēng)扇與單級(jí)風(fēng)扇相比幾乎沒有優(yōu)點(diǎn),它重量大、效率低,其實(shí)它是在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技主還不十分成熟的時(shí)候一種無耐的選擇.隨著風(fēng)扇單級(jí)增壓比的一步步提高,現(xiàn)如今在中、高函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上單級(jí)風(fēng)扇以是一統(tǒng)天下.比如在ge-90上使用的單級(jí)風(fēng)扇其增壓比高達(dá)1.65,如此之高的單級(jí)增壓比以經(jīng)再?zèng)]有必要來串接第二級(jí)風(fēng)扇. 但是在戰(zhàn)斗機(jī)上使用的低函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)還在使用著多級(jí)風(fēng)級(jí)的結(jié)構(gòu).比如在f-15a上使用的f100-pw-100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)就是由三級(jí)構(gòu)成,其總增壓比達(dá)到了2.95.低函道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)取如此高的風(fēng)扇增壓比其實(shí)是風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)合二為一結(jié)果.在戰(zhàn)斗機(jī)上使用的低函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為了減少重量它的雙轉(zhuǎn)子其實(shí)是由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組成的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).受戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)內(nèi)容積所限,采用大空氣流量的高函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的,但為了提高推力只能提發(fā)動(dòng)機(jī)的出口壓力,再者風(fēng)扇不光要提供全部的外函推力而且還要部分的承擔(dān)壓氣機(jī)的任務(wù),所以風(fēng)扇只能采用比較高的增壓比. 其實(shí)低函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)彩用多級(jí)風(fēng)扇也是一種無耐之舉,如果風(fēng)扇的單級(jí)增壓比能達(dá)到3左右多級(jí)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)就將不會(huì)再出現(xiàn).如果想要風(fēng)扇的單級(jí)增壓比達(dá)到3一級(jí)只能是進(jìn)一步提高風(fēng)扇的的轉(zhuǎn)速并在風(fēng)扇的葉型上作文章,風(fēng)扇的葉片除了要使用寬弦葉片之外葉片還要帶有一定的后掠角度以克服風(fēng)扇在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的激波,只有這樣3一級(jí)的單級(jí)風(fēng)扇增壓比才可能會(huì)實(shí)現(xiàn).相現(xiàn)這一點(diǎn)人們將會(huì)在二十年之內(nèi)作到. 四、壓氣機(jī) 壓氣機(jī)故名思意,就是用來壓縮空氣的一種機(jī)械.在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上所使用的壓氣機(jī)按其結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為兩大類,一類是離心式壓氣機(jī),一類是軸流式壓氣機(jī).離必式壓氣機(jī)的外形就像是一個(gè)鈍角的扁圓錐體.在這個(gè)圓錐體上有數(shù)條螺旋形的葉片,當(dāng)壓氣機(jī)的圓盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),空氣就會(huì)被螺旋形的葉片"抓住",在高速旋轉(zhuǎn)所帶來的巨大離心力之下,空氣就會(huì)被甩進(jìn)壓氣機(jī)圓盤與壓氣機(jī)機(jī)匣之間的空隙,從而實(shí)現(xiàn)空氣的增壓.與離心式壓氣機(jī)不同,軸流式壓氣機(jī)是由多級(jí)風(fēng)扇所構(gòu)成的,其每一級(jí)都會(huì)產(chǎn)生一定的增壓比,各級(jí)風(fēng)扇的增壓比相乘就是壓氣機(jī)的總增壓比. 在現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)大多是軸流式壓氣機(jī),軸流式壓氣機(jī)有著體積小、流量大、單位效率高的優(yōu)點(diǎn),但在一些場(chǎng)合之下離心式壓氣機(jī)也還有用武之地,離心式壓氣機(jī)雖然效率比較差,而且重量大,但離心式壓氣機(jī)的工作比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且單級(jí)增壓比也比軸流式壓氣機(jī)要高數(shù)倍.比如在我國臺(tái)灣的idf上用的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的tfe1042-70渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上,其高壓壓氣機(jī)就采用了四級(jí)軸流式與一級(jí)離心式的組合式壓氣機(jī)以減少壓氣機(jī)的級(jí)數(shù).多說一句,這樣的組合式壓氣機(jī)在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上用的不多,但在直升機(jī)上所使用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在一般都為幾級(jí)軸流式加一級(jí)離心式的組合結(jié)構(gòu).比如國產(chǎn)的渦軸6、 渦軸8發(fā)動(dòng)機(jī)就是1級(jí)軸流式加1級(jí)離心式構(gòu)成的組合壓氣機(jī).而美國的"黑鷹"直升機(jī)上的t700發(fā)動(dòng)機(jī)其壓氣機(jī)為5級(jí)軸流式加上1級(jí)離心式. 壓氣機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上比較核心的一個(gè)部件.在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)很大程度上就是為了迎合壓氣機(jī)的需要.壓氣機(jī)的效率高低直接的影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率.目前人們的目標(biāo)是提高壓氣機(jī)的單級(jí)增壓比.比如在j-79上用的壓氣機(jī)風(fēng)扇有17級(jí)之多,平均單級(jí)增壓比為1.16,這樣17級(jí)葉片的總增壓比大約為12.5左右,而用在波音777上的ge-90的壓氣機(jī)的平均單級(jí)增壓比以提高到了1.36,這樣只要十級(jí)增壓葉片總增壓比就可以達(dá)到23左右.而f-22的動(dòng)力f-119發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)更是了的,3級(jí)風(fēng)扇和6級(jí)高壓壓氣機(jī)的總增壓比就達(dá)到了25左右,平均單級(jí)增壓比為1.43.平均單級(jí)增壓比的提高對(duì)減少壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)、減少發(fā)動(dòng)機(jī)的總量、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的總長(zhǎng)度是大有好處的. 但隨著壓氣機(jī)的增壓比越來越高,壓氣機(jī)振喘和壓氣機(jī)防熱的問題也就突現(xiàn)了出來. 在壓氣機(jī)中,空氣在得到增壓的同時(shí),其溫度也在上升.比如當(dāng)飛機(jī)在地面起飛壓氣機(jī)的增壓比達(dá)到25左右時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度就會(huì)超過500度.而在戰(zhàn)斗機(jī)所用的低函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,在中低空飛行中由于沖壓作用,其溫度還會(huì)提高.而當(dāng)壓氣機(jī)的總增壓比達(dá)到30左右時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度會(huì)達(dá)到600度左右.如此高的溫度會(huì)鈦合金以是難當(dāng)重任,只能由耐高溫的鎳基合金取而代之,可是鎳基合金與鈦合金相比基重量太大.與是人們又開發(fā)了新型的耐高溫鈦合金.
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