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渦輪風扇發(fā)動機原理

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-01-11

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扇發(fā)動機是噴氣發(fā)動機的一個分支,從血緣關(guān)系上來說渦扇發(fā)動機應(yīng)該算得上是渦噴發(fā)動機的小弟弟.從結(jié)構(gòu)上看,渦扇發(fā)動機只不過是在渦噴發(fā)動機之前（之后）加裝了風扇而已.然而正是這區(qū)區(qū)的幾頁風扇把渦噴發(fā)動機與渦扇發(fā)動機嚴格的區(qū)分開來.渦扇發(fā)動機這個"小弟弟"仗著自已身上的幾頁風扇也青出于藍. 現(xiàn)代的軍用戰(zhàn)斗機要求越來越高的機動性能,較高的推重比能賦予戰(zhàn)斗機很高的垂直機動能力和優(yōu)異的水平加速性能.而且在戰(zhàn)時,如果本方機場遭到了對方破壞,戰(zhàn)斗機還可以利用大推力來減少飛機的起飛著陸距離.比如裝備了f-100-pw-100的f-15a當已方機機的跑道遭到部分破壞時,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戰(zhàn)斗機飛行員所夢寐以求的.但戰(zhàn)斗機的推重比在很大和度上是受發(fā)動機所限--如果飛機發(fā)動機的推重比小于6一級的話,其飛機的空戰(zhàn)推重比就很難達到1,如果強行提高飛機的推重比的話所設(shè)計的飛機將在航程、武器掛載、機體強度上付出相當大的代價.比如前蘇聯(lián)設(shè)計的蘇-11戰(zhàn)斗機使用了推重比為4.085的ал-7ф-1-100渦噴發(fā)動機.為了使飛機的推重比達到1,蘇-11的動力裝置重量占了飛機起飛重量的26.1%.相應(yīng)的代價是飛機的作戰(zhàn)半徑只有300公里左右. 而在民用客機、運輸機和軍用的轟炸機、運輸機方面.隨著新材料的運用飛機的機身結(jié)構(gòu)作的越來越大,起飛重量也就越來越大,對發(fā)動機的推力要求也越來越高.在高函道比大推力的渦扇發(fā)動機出現(xiàn)之前,人們只能采用讓大型飛機掛更多的發(fā)動機的方法來解決發(fā)動機的推力不足問題.比如b-52g轟炸機的翼下就掛了八臺j-57-p-43w渦噴發(fā)動機.該發(fā)動機的單臺最大起飛推力僅為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)動機.在現(xiàn)在如果不考慮動力系統(tǒng)的可靠性,像b-52之類的飛機只裝一臺發(fā)動機也未嘗不可. 而渦扇發(fā)動機的誕生就是為了順應(yīng)人們對航空發(fā)動機越來越高的推力要求而誕生的.因為提高噴氣發(fā)動機的推力最簡單的辦法就是提高發(fā)動機的空氣流量. 一、歷史在五十年代未、六十年代初,作為航空動力的渦噴發(fā)動機以經(jīng)相當?shù)某墒?當時的渦噴發(fā)動機的壓氣機總增壓比以經(jīng)可以達到14左右,而渦輪前的最高溫度也以經(jīng)達到了1000度的水平.在這樣的條件下,渦噴發(fā)動機進行部分的能量輸出以經(jīng)有了可能.而當時對發(fā)動機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)動機加裝風扇以提高迎風面積增大空氣流量進而提高發(fā)動機的推力. 當時人們通過計算發(fā)現(xiàn),以當時的渦噴發(fā)動的技術(shù)水平,在渦噴發(fā)動機加裝了風扇變成了渦扇發(fā)動機之后,其技術(shù)性能將有很大的提高.當渦扇發(fā)動機的風扇空飛流量與核心發(fā)動機的空氣流量大至相當時（函道比1:1）,發(fā)動機的地面起飛推力增大了面分之四十左右,而高空巡航時的耗油量卻下降了百分之十五,發(fā)動機的效率得到了極大的提高. 這樣的一種有著渦噴發(fā)動機無法比及的優(yōu)點的新型航空動力理所當然的得到了西方各強國的極大重視.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)動機,在渦扇發(fā)動機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?shù)木硌兄扑麄兊?康維"渦扇發(fā)動機.在一九五三年的時候"康維"進行了第一次的地面試車.又經(jīng)過了六年的精雕細刻,一九五九年九月"康維mk-508"才最終定型.這個經(jīng)過十一年孕婦的難產(chǎn)兒有著當時渦噴發(fā)動機難以望其項背的綜合性能."康維"采用了雙轉(zhuǎn)子前風扇的總體結(jié)構(gòu),函道比為0.3推重比為3.83地面臺架最大推力為7945公斤,高空巡航推力為2905公斤,最大推力時的耗油量為0.735千克/小時/千克,壓氣機總增壓比為14,風扇總增壓比為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)動機的研發(fā)上比英國人慢了一拍,但是其技術(shù)起點非常的高.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)動機上的豐富的技術(shù)儲備,采用了以經(jīng)非常成熟的j-57作為新渦扇發(fā)動的內(nèi)函核心發(fā)動機.j-57是美國人從1947年就開始設(shè)計的一種渦噴發(fā)動機,1949年完成設(shè)計,1953年正式投產(chǎn).j57在投產(chǎn)階段共生產(chǎn)了21226臺是世界上產(chǎn)量最大的三種渦噴發(fā)動機之一,先后裝備了f-100、f-101、f-102、b-52等機種.j-57在技術(shù)上也有所突破,他是世界上第一臺采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的噴氣發(fā)動機,由單轉(zhuǎn)子到雙轉(zhuǎn)子是噴氣發(fā)動機技術(shù)上的一大進步.不光是核心發(fā)動機,就連風扇普惠公司也都是采用的以經(jīng)相當成熟的部件,以被撤消了型號的j91核動力噴氣發(fā)動機的長葉片被普惠公司拿來當作新渦扇的風扇.一九六零年七月,普惠公司的jt3d渦扇發(fā)動機誕生了.jt3d的最終定型時間比羅羅的康維只晚了幾個月,可是在性能上卻是大大的提高.jt3d也是采用了雙軸前風扇的設(shè)計,地面臺架最大推力8165公斤,高空巡航推力2038公斤,最大推力耗油0.535千克/小時/千克,推重比4.22,函道比1.37,壓氣機總增壓比13.55,風扇總增壓比1.74（以上數(shù)據(jù)為jt3d-3b型發(fā)動機的數(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.而幾乎是在同一時刻,三巨頭中的令一個也推出了自已的第一代渦扇發(fā)動機.在羅·羅推出"康維"之后第八個月、普·惠推出jt-3d的前一個月.通用動力公司也定型了自已的第一代渦扇發(fā)動機cj805-23.cl805-23的地面臺架最大推力為7169公斤,推重比為4.15,函道比為1.5,壓氣機增壓比為13,風扇增壓比為1.6,最大推力耗油0.558千克/小時/千克.與普·惠一樣,通用動力公司也是在現(xiàn)有的渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)之上研發(fā)自已的渦扇發(fā)動機,被用作新渦扇的內(nèi)函核心發(fā)動機的是j79.j-79與1952年開始設(shè)計,與1956年投產(chǎn),共生產(chǎn)了16500多臺,他與j-57一樣也是有史以來產(chǎn)量最高的三種渦噴發(fā)動機之一.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)動機. 通用動力公司的cj805-23渦扇發(fā)動機是渦扇發(fā)動機的中一個決對另類的產(chǎn)品,讓cj805-23如此與眾不同的地方就在于他的風扇位置.他是唯一采用后風扇設(shè)計的渦扇發(fā)動機. 在五六十年代,人們在設(shè)計第一代渦扇發(fā)動機的時候遇到了很大的困難.首先是由于大直徑的風扇與相對小直徑的低壓壓氣機聯(lián)動以后風扇葉片的翼尖部分的線速度超過了音速,這個問題在當時很難解決,因為沒有可利用的公式來進行運算人們只能用一次又一次的試驗來發(fā)現(xiàn)、解決問題.第二是由于在壓氣機之前多了風扇使得壓氣機的工作被風扇所干攏.第三是細長的風扇葉片高速轉(zhuǎn)動所引起的振動. 而通用動力公司的后風扇設(shè)計一下子完全避開了這三個最主要的困難.cj805-23的后風扇實際上是一個雙節(jié)的葉片,葉片的下半部分是渦輪葉片,上半部分是風扇葉片.這樣的一個葉片就像渦軸發(fā)動的自由渦輪一樣被放在內(nèi)函核心發(fā)動機的尾部.葉片與核心發(fā)動機的轉(zhuǎn)子沒有絲毫的機械聯(lián)系,這樣人們就可以隨心所欲的來設(shè)計風扇的轉(zhuǎn)速,而且葉片的后置也不會對壓氣機產(chǎn)生不良影響.但在回避困難的同時也引發(fā)了新的問題. 首先是葉片的受熱不勻,cj805-23的后風扇葉片的渦輪部分在工作時的最高溫度達到了560度,而風扇部分的最低溫度只有38度.其次,由于后風扇不像前風扇那樣工作在發(fā)動機的冷端,而是工作在發(fā)動機的熱端,這樣一來風扇的可靠性也隨之下降,而飛機對其動力的要求最重要的一條就是萬無一失.而且風扇后置的設(shè)計使得發(fā)動機的由于形狀上的原因其飛行阻力也要大于風扇前置的發(fā)動機. 當"康維"、jt-3d、cj805-23這些渦扇發(fā)動機紛紛定型下線的時候,人們也在不斷的反思在渦扇發(fā)動機研制過程.人們發(fā)現(xiàn),如果一臺渦扇發(fā)動機如果真的像"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間新發(fā)動機才能定型投產(chǎn).而如果像jt-3d或cj805-23那樣利用以有的一臺渦噴發(fā)動機作為內(nèi)函發(fā)動機來研制渦扇發(fā)動機的話,因為發(fā)動機在技術(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間、減少開發(fā)費用.美國政府在還末對未來的航空動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"先進渦輪燃氣發(fā)生器計劃",這個計劃的目地就是要利用最最新的科研成果來試制一種燃氣核心機,并進行地面試車,以暴露解決各部分的問題.在這個燃氣核心機的其礎(chǔ)之上進行放大或縮小,再加裝其它的部件,如壓氣機、風扇等等就可以組裝成不同類型的航空渦輪發(fā)動機.如渦扇、渦噴、渦軸、渦槳等等."先進渦輪燃氣發(fā)生器計劃"實際上是一個有相當前瞻意味的預研工程. 用今天的眼光來看,這個工程的指導方向無疑是正確的.美國的政府實際上是在激勵本國的兩大動力公司向航空動力系統(tǒng)中最難的部分開刀.因為在燃氣渦輪發(fā)動機中最最嚴重的技術(shù)難點就產(chǎn)生在這個以燃氣發(fā)生器和燃氣渦輪為主體的燃氣核心機上.在每一臺以高溫燃氣來驅(qū)動燃氣渦輪為動力的發(fā)動機上,由燃氣發(fā)生器和燃氣渦輪所組成的燃氣核心機的工作地點將是這臺發(fā)動的最高溫度、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.但燃氣核心機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、飛機在加速時的巨大沖擊,如果是戰(zhàn)斗機還要考慮到當飛機進行機動時所產(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都將是一個工程上的巨大難題.但如果這些問題不被解決掉那么更先進的噴氣發(fā)動機也就無從談起. 在這個計劃之下,普惠公司與通用動力公司都很快的推出了各自研發(fā)的燃氣核心機.普惠公司的核心機被稱作stf-200而通用動力公司的燃氣核心機為ge-1.時至今日美國人在四十年前發(fā)起的這場預研還在發(fā)揮著他的作用,現(xiàn)如今普惠: 回答者：網(wǎng)友

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