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渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理如何?

: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-11-05

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◆壓氣機(jī) 　　壓氣機(jī)故名思意，就是用來(lái)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(lái)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(guó)臺(tái)灣的ＩＤＦ上用的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的ＴＦＥ１－０４２－７０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(shuō)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(guó)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(guó)的“黑鷹”直升機(jī)上的Ｔ－７００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(lái)越高，壓氣機(jī)振喘和壓氣機(jī)防熱的問(wèn)題也就突現(xiàn)了出來(lái)。　　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(guò)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。在波音－７４７的動(dòng)力之一羅·羅公司的遄達(dá)８００與ＥＦ－２０００的動(dòng)力ＥＪ－２００上就使用了全鈦合金壓氣機(jī)。其轉(zhuǎn)子重量要比使用鎳基合金減重百分之三十左右。　　與壓氣機(jī)防熱的問(wèn)題相比壓氣機(jī)振喘的問(wèn)題要難辦一些。振喘是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種不正常的工作狀態(tài)，他是由壓氣機(jī)內(nèi)的空氣流量、流速、壓力的空然變化而引發(fā)的。比如在當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行加速、減速時(shí)，當(dāng)飛發(fā)動(dòng)機(jī)吞水、吞冰時(shí)，或當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)在突然以大攻飛行拉起進(jìn)氣道受到屏蔽進(jìn)氣量驟減時(shí)。都極有可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘。　　在渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之初，人們就采用了在各級(jí)壓氣機(jī)前和風(fēng)扇前加裝整流葉片的方法來(lái)減少上一級(jí)壓氣機(jī)因絞動(dòng)空氣所帶給下一級(jí)壓氣機(jī)的不利影響，以克制振喘現(xiàn)像的發(fā)生。而且在Ｊ－７９渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上人們還首次實(shí)現(xiàn)了整流葉片的可調(diào)整?？烧{(diào)整的整流葉片可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)在更加寬廣的飛行包線內(nèi)正常工作。可是隨著風(fēng)扇、壓氣機(jī)的增壓比一步一步的提高光是采用整流葉片的方法以是行不通了。對(duì)于風(fēng)扇人們使用了寬弦風(fēng)扇解決了在更廣的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的問(wèn)題，而且采用了寬弦風(fēng)扇之后即使去掉風(fēng)扇前的整流葉片風(fēng)扇也會(huì)穩(wěn)定的工作。比如在Ｆ－１５上的Ｆ１００－ＰＷ－１００其風(fēng)扇前就采用了整流葉片，而Ｆ－２２的Ｆ－１１９就由于采用了三級(jí)寬弦風(fēng)扇所以風(fēng)扇前也就沒(méi)有了整流葉片，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的重量得以減輕，而且由于風(fēng)扇前少了一層屏蔽其效率也就自然而然的提高了。風(fēng)扇的問(wèn)題解決了可是壓氣的問(wèn)題還在，而且似乎比風(fēng)扇的問(wèn)題材更難辦。因?yàn)槎嗉?jí)的壓氣機(jī)都是裝在一根軸上的，在工作時(shí)它的轉(zhuǎn)數(shù)也是相同的。如果各級(jí)壓氣機(jī)在工作的時(shí)候都有自已合理的工作轉(zhuǎn)數(shù)，振喘的問(wèn)題也就解決了?？墒堑浆F(xiàn)在為止還沒(méi)有聽說(shuō)什么國(guó)家在集中國(guó)力來(lái)研究十幾、二十幾轉(zhuǎn)子的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。　　在萬(wàn)般的無(wú)耐之后人們能回到老路上來(lái)——放氣。放氣是一種最簡(jiǎn)單但也最無(wú)可耐何的防振喘的方法。在很多現(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)上人們都保留的放氣活門以備不時(shí)之須。比如在波音－７４７的動(dòng)力ＪＴ－９Ｄ上，普·惠公司就分別在十五級(jí)的高、低壓氣機(jī)中的第４、９、１５級(jí)上保留了三個(gè)放氣活門。　　◆燃燒室與渦輪　　渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室也就是我們上面所提到過(guò)的“燃?xì)獍l(fā)生器”。經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后的高壓空氣與燃料混合之后將在燃燒室中燃燒以產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈦?lái)推動(dòng)燃?xì)鉁u輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上最常用的燃燒室有兩種，一種叫作環(huán)管形燃燒室，一種叫作環(huán)形燃燒室。　　環(huán)管燃燒室是由數(shù)個(gè)火焰筒圍成一圈所組成，在火焰筒與火焰筒之間有傳焰管相連以保證各火焰筒的出口燃?xì)鈮毫Υ笾料嗟??？墒羌仁故侨绱烁鞲骰鹧嫱仓畠?nèi)的燃?xì)鈮毫σ策€是不能完全相等，但各火焰筒內(nèi)的微小燃?xì)鈮毫€不足以為患。但在各各火焰筒的出口處由于相鄰的兩個(gè)火焰筒所噴出的燃?xì)鈺?huì)發(fā)生重疊，所以在各火焰筒的出口相鄰處的溫度要比別處的溫度高?；鹧嫱驳某隹跍囟葓?chǎng)的溫度差異會(huì)給渦輪前部的燃?xì)鈱?dǎo)向器帶來(lái)一定的損害，溫度高的部分會(huì)加速被燒蝕。比如在使用了八個(gè)火焰筒的環(huán)管燃燒室的ＪＴ－３Ｄ上，在火焰筒尾焰重疊處其燃?xì)鈱?dǎo)流葉片的壽命只有正常葉片的三分之一。　　與環(huán)管式燃燒室相比，環(huán)形燃燒室就沒(méi)有這樣的缺點(diǎn)。故名思意，與管環(huán)燃燒室不同，環(huán)形燃燒室的形狀就像是一個(gè)同心圓，壓縮空氣與燃油在圓環(huán)中組織燃燒。由于環(huán)形燃燒室不像環(huán)管燃燒室那樣是由多個(gè)火焰筒所組成，環(huán)形燃燒室的燃燒室是一個(gè)整體，因此環(huán)形燃燒室的出口燃?xì)鈭?chǎng)的溫度要比環(huán)管形燃燒室的溫度均勻，而且環(huán)形燃燒室所需的燃油噴嘴也要比環(huán)管燃燒室的要少一些。均勻的溫度場(chǎng)對(duì)直接承受高溫燃?xì)獾娜細(xì)鈱?dǎo)流葉片的整體壽命是有好處的。　　與環(huán)管燃燒室相比，環(huán)形燃燒室的優(yōu)點(diǎn)還不止是這些。　　由于燃燒室中的溫度很高，所以無(wú)論環(huán)管燃燒室還是環(huán)形燃燒室都要進(jìn)行一定的冷卻，以保證燃燒室能更穩(wěn)定的進(jìn)行工作。單純的吹風(fēng)冷卻早以不能適應(yīng)極高的燃燒室溫度?，F(xiàn)在人們?cè)谌紵抑凶钇毡闶褂玫睦鋮s方法是全氣膜冷卻，即在燃燒室內(nèi)壁與燃燒室內(nèi)部的高溫燃?xì)庵g組織起一層由較冷空氣所形成的氣膜來(lái)保護(hù)燃燒室的內(nèi)壁。由于要形成氣膜，所以就要從燃燒室壁上的孔隙中向燃燒室內(nèi)噴入一定量的冷空氣，所以燃燒室壁被作的很復(fù)雜，上面的開有成千上萬(wàn)用真空電子束打出的冷卻氣孔?，F(xiàn)在大家只要通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得知，在有著相同的燃燒室容積的情況下，環(huán)形燃燒室的受熱面積要比環(huán)管燃燒室的受熱面積小的多。因此環(huán)形燃燒的冷卻要比環(huán)管形燃燒室的冷卻容易的多。在除了冷卻比較容易之處，環(huán)形燃燒室的體積、重量、燃油油路設(shè)計(jì)等等與環(huán)管燃燒室相比也著優(yōu)勢(shì)。　　但與環(huán)管燃燒室相比，環(huán)形燃燒室也有著一些不足，但這些不足不是性能上的而是制作工藝上。　　首先，是環(huán)形燃燒室的強(qiáng)度問(wèn)題。在環(huán)管燃燒室上使用的是單個(gè)體積較小的火焰筒，而環(huán)形燃燒室使用的是單個(gè)體積較大的圓環(huán)形燃燒室。隨著承受高溫、高壓的燃燒室的直徑的增大，環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是一大難點(diǎn)。　　其次，由于燃燒室的工作整體環(huán)境很復(fù)雜，所以現(xiàn)在人們還不可能完全用計(jì)算的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)、解決燃燒室所面臨的問(wèn)題。要暴露和解決問(wèn)題進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)是唯一的方法。在環(huán)管燃燒室上，由于單個(gè)火焰筒的體積和在正常工作時(shí)所需要的空氣流量較少，人們可以進(jìn)行單個(gè)的火焰筒實(shí)驗(yàn)。而環(huán)形燃燒室是一個(gè)大直徑的整體，在工作時(shí)所需要的空氣流量也比較大，所以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有一定的難度。在五六十年代人們進(jìn)行環(huán)行燃燒室的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于沒(méi)有足夠的條件只能進(jìn)行環(huán)形燃燒室部分扇面的實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)不可能得到燃燒室的整體數(shù)據(jù)。　　但由于科技的進(jìn)步，環(huán)形燃燒室的機(jī)械強(qiáng)度與調(diào)試問(wèn)題在現(xiàn)如今都以經(jīng)得到了比較圓滿的解決。由于環(huán)形燃燒室固有的優(yōu)點(diǎn)，在八十年代之后研發(fā)的新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之上幾忽使用的都是環(huán)形燃燒室。　　為了更能說(shuō)明兩種不同的燃燒室的性能差異，現(xiàn)在我們就以同為普·惠公司所出品的使用環(huán)管形燃燒室的第一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)ＪＴ－３Ｄ與使用了環(huán)形燃燒室的第二代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)ＪＴ－９Ｄ來(lái)作一個(gè)比較。兩種渦扇發(fā)動(dòng)同為雙轉(zhuǎn)子前風(fēng)扇無(wú)加力設(shè)計(jì)，不過(guò)推力差異比較大，ＪＴ－３Ｄ是８噸級(jí)推力的中推發(fā)動(dòng)機(jī)，而ＪＴ－９Ｄ－５９Ａ的推力高達(dá)２４０４２公斤，但這樣的差異并不妨礙我們對(duì)它們的燃燒室作性能上的比較。首先是兩種燃燒室的幾何形狀，ＪＴ－９Ｄ－３Ａ的直徑和長(zhǎng)度分別為９６５毫米和６２７毫米，而ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ的直徑是１０２０．５毫米、長(zhǎng)度是１０７０毫米。很明顯，ＪＴ－９Ｄ的環(huán)形燃燒室要比ＪＴ－３Ｄ的環(huán)管燃燒室的體積小。ＪＴ－９Ｄ－３Ａ只有２０個(gè)燃油噴嘴，而ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ的燃油噴嘴多達(dá)四十八個(gè)。燃燒效率ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ為０．９７而ＪＴ－９Ｄ－３Ａ比他要高兩個(gè)百分點(diǎn)。ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ八個(gè)火焰筒的總表面積為３．５７９平方米，而ＪＴ－９Ｄ－３Ａ的火焰筒表面積只有２．２８２平方米，火焰筒表面積的縮小使得火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)可以作到簡(jiǎn)單、高效，因此ＪＴ－９Ｄ的火焰筒壁溫度得以下降。ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ的火焰筒壁溫度為７００～９: 回答者：網(wǎng)友

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