渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及應(yīng)用綜述

陳建軍

重慶市巴南職業(yè)教育中心 重慶市 401320

1 引言

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一種常用的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，其是利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)件自穿過它得流體中汲取動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)形式，屬于內(nèi)燃機(jī)的范疇。相較于其它發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢在于能歐在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的基礎(chǔ)上，極大的提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。此外，其還具備節(jié)省燃油、降低排放等優(yōu)點(diǎn)。但是由于其風(fēng)扇直徑較大，其迎風(fēng)面積也相對較大，因此受到的阻力也高于其它發(fā)動(dòng)機(jī)。且這種發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作難度較高。因此探究渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和應(yīng)用具有十分重要的積極意義。

2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展背景和具體分類介紹

傳統(tǒng)飛機(jī)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)其飛行速度和音速接近的情況下，其飛行阻力會(huì)出現(xiàn)大幅度的提升，對此，人們對發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和尺寸進(jìn)行了增加。其后隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)用，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不僅重量較低，且突破了音障的限制，因此其開始廣泛應(yīng)用于各式飛機(jī)中，并且隨著應(yīng)用的不斷深入，逐漸衍生出多種不同的類型，于是傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)形式因劣勢過于明顯逐漸被廢棄。經(jīng)過長期的發(fā)展，燃?xì)鉁u輪式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)具備多種類型，如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等。除了這些還存在其它多種類型，在此不一一列舉。

其中渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是由渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展而來的，同時(shí)其在結(jié)構(gòu)上則和渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)存在類似之處。在對渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分類時(shí)，存在多項(xiàng)分類標(biāo)準(zhǔn)，例如以涵道比的高低為分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將其分成大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。相較于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、效率高、噪音低、油耗低，飛行航程遠(yuǎn)等優(yōu)勢，但其同樣存在一定的缺陷，如風(fēng)扇直徑較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度高等。

3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)分析

一般情況下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、渦輪、風(fēng)扇、燃燒室以及尾噴管等部件構(gòu)成，本文將選取小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹，下圖為小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

3.1 進(jìn)氣道

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道處于機(jī)體的最前端，連接著飛機(jī)進(jìn)口和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是空氣進(jìn)入的唯一通道，其主要作用是將外部進(jìn)入的空氣輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，飛機(jī)在高速飛行狀態(tài)下，進(jìn)氣道還能夠?qū)M(jìn)入的空氣進(jìn)行減速增壓處理。通常情況下，可以將進(jìn)氣道分成亞音速進(jìn)氣道超音速進(jìn)氣道兩種類型。二者可以通過外形上的差異進(jìn)行區(qū)分，其中前緣為鈍圓形的是亞音進(jìn)氣道，能夠起到集中進(jìn)氣口氣流的作用。而前緣呈尖銳形的則是超音速進(jìn)氣道。此外，可以對超音速進(jìn)氣道進(jìn)一步細(xì)分，包括外壓式、內(nèi)壓式和混壓式三種類型。

圖1 小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 風(fēng)扇

上文中提到，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來的，其風(fēng)扇部件就是最顯著的體現(xiàn)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇是渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳經(jīng)過直徑縮短、變形以及增加槳葉數(shù)量等改造操作之后得到的，同時(shí)使用機(jī)匣將所有的槳葉葉片容納起來。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇的主要作用是對進(jìn)入的空氣進(jìn)行壓縮增壓，之后通過內(nèi)外涵道輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)后方。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，因此風(fēng)扇性能的優(yōu)劣很大程度上決定了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

3.3 壓氣機(jī)

在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)的主要作用是對流過的空氣進(jìn)行增壓處理，其主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片完成這項(xiàng)處理，因此必須滿足振動(dòng)強(qiáng)度和剛性的要求，且為了保障其正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段，必須盡可能的擴(kuò)大其穩(wěn)定工作范圍。以壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和氣流流動(dòng)特點(diǎn)為依據(jù)，可以將其分成離心式壓氣機(jī)、混合式壓氣機(jī)以及軸流式壓氣機(jī)三種類型。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同也可以對其進(jìn)行分類，分別是低壓壓氣機(jī)、中壓壓氣機(jī)以及高壓壓氣機(jī)。

其中軸流式壓氣機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子和靜子兩個(gè)部分，二者都是由多排葉片交錯(cuò)排列構(gòu)成的，轉(zhuǎn)子和渦輪軸倆連接在一起，靜子則固定在外部的機(jī)匣上，二者通過相對運(yùn)動(dòng)對空氣進(jìn)行壓縮，以此達(dá)到提升空氣壓力的效果。

當(dāng)前階段，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)普遍采用的是軸流式壓氣機(jī)，這種壓氣機(jī)具有體積小、流量大、單位效率高等眾多優(yōu)勢。但是在一些特殊情況下，離心式壓氣機(jī)也得到了一定的應(yīng)用，雖然它的重量較高，且效率偏差，但這時(shí)人們看重的是離心壓氣機(jī)工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單以及單機(jī)增壓比高等特點(diǎn)。

3.4 燃燒室

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要功能是將燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，燃料在燃燒的過程中會(huì)放出大量的熱能，對流經(jīng)的空氣進(jìn)行加熱處理。為了保障燃燒室的穩(wěn)定運(yùn)行，其必須滿足以下幾項(xiàng)條件：點(diǎn)火和啟動(dòng)可靠；火焰穩(wěn)定；燃燒效率高；總壓損失小；排放污染低。燃燒室主要可以分成分管燃燒室、環(huán)管燃燒室以及環(huán)形燃燒室等幾種類型，它們之間的差異主要體現(xiàn)在火焰筒的排列和連接方式上。

燃燒室工作過程中所使用的空氣全部來自于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，是經(jīng)過壓氣機(jī)增壓處理之后的空氣。其中一小部分從火焰筒的頭部和上面小孔進(jìn)入到燃燒室中，為燃料燃燒提供條件。其余部分則從火焰筒外的通道流過，起到降溫冷卻的效果。

3.5 渦輪

在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，渦輪主要負(fù)責(zé)的是將燃燒室出口的高溫高壓燃?xì)鉄犰兽D(zhuǎn)化為機(jī)械功，因此渦輪必須具備在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的能力，這一點(diǎn)在渦輪設(shè)計(jì)中必須給予充分考慮。經(jīng)過渦輪轉(zhuǎn)化為獲得的機(jī)械功能夠?yàn)閴簹鈾C(jī)的運(yùn)行提供動(dòng)力。渦輪主要包括兩種分類體系，其一是以結(jié)構(gòu)形式和氣流流動(dòng)特點(diǎn)為依據(jù)，分為軸流式和徑向式渦輪。其二則是根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同，分成低、中、高壓力渦輪。

3.6 尾噴管

尾噴管屬于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)，主要功能是將渦輪出口高溫燃?xì)獾撵兽D(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。在設(shè)計(jì)階段，必須滿足以下要求：流動(dòng)損失??；燃?xì)馀蛎浲耆?；噴出氣流為軸向。在對尾噴管進(jìn)行分類的過程中，存在兩種依據(jù)，其一為使用條件，據(jù)此可分為收斂型尾噴管和收擴(kuò)型尾噴管。其二為排氣方向，可分為直流式尾噴管和推理矢量尾噴管。由于尾噴管的位置處于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最末端，因此經(jīng)過風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部位的空氣只有經(jīng)過尾噴管排出才能形成推動(dòng)飛機(jī)向前飛行的推力。

4 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

4.1 主要性能參數(shù)

其一，涵道比。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比指的是其外涵道和內(nèi)涵道空氣流量的比值，涵道比的大小直接決定了其應(yīng)用領(lǐng)域。例如涵道比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)型。而低涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)則廣泛應(yīng)用于超音速飛行，如戰(zhàn)斗機(jī)型。

其二，推力。推力指的是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的推動(dòng)力，主要是由高壓氣體噴出形成的。

其三，單位燃油消耗率。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油質(zhì)量流量與發(fā)動(dòng)機(jī)推力的比值即為單位燃油消耗率。

其四，效率。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的效率指標(biāo)內(nèi)容廣泛，其中最主要的是熱效率，反映了燃油化學(xué)能的利用率，可用于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的判斷。

4.2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，空氣經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)前端的進(jìn)氣道進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，首先由壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮處理，之后輸送到燃燒室通過和染料的混合燃燒形成高溫高壓氣體，之后通過渦輪將熱焓轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提供壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。最后，做功后的氣體和外涵道的氣體一起噴出，推動(dòng)飛機(jī)前行。

5 結(jié)語

綜上所述，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是一種較為常用的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，本文從其具體組成結(jié)構(gòu)切入，分別分析闡述了其渦輪、尾噴管、風(fēng)扇等部件的功能、構(gòu)成以及具體分類，在此基礎(chǔ)上從整體角度護(hù)法，對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)和常見工作狀態(tài)進(jìn)行了列舉闡述，希望能夠?yàn)闇u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的合理應(yīng)用以及改進(jìn)升級提供一定得參考借鑒。