渦扇發(fā)動機(jī)

渦扇發(fā)動機(jī)(Turbofan   engine)也稱為內(nèi)外涵道發(fā)動機(jī)，是一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其推力由安裝在壓縮機(jī)前部的一個或多個風(fēng)扇形成的外涵道氣流和從內(nèi)部噴嘴排出或與內(nèi)外涵道氣流混合的氣體產(chǎn)生。渦扇發(fā)動機(jī)由發(fā)動機(jī)核心機(jī)組成（壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪）以及低壓渦輪和由低壓渦輪驅(qū)動的風(fēng)扇。基于質(zhì)量增加的原理，通過結(jié)合核心機(jī)（內(nèi)涵）部分能量轉(zhuǎn)移到外涵，增加了發(fā)動機(jī)的總空氣流量，降低了排氣速度最后，在一定的飛行速度范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)的推力增加，油耗降低。

1936年，英格蘭弗蘭克 · 號惠特爾爵士（Mr frank）提出渦扇發(fā)動機(jī)方案并獲得設(shè)計專利。1947年4月，英國·羅（Roll-Royce）該公司開發(fā)了一種渦扇發(fā)動機(jī)并在臺架上進(jìn)行測試，該發(fā)動機(jī)于1952年正式命名“康威內(nèi)外涵發(fā)動機(jī)”成為世界 美國第一臺渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。自20世紀(jì)80年代以來，渦扇發(fā)動機(jī)占據(jù)了陸軍的大部分、民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)市場。2005年12月28日，由中國沈陽航空發(fā)動機(jī)設(shè)計研究院設(shè)計“太行”渦扇發(fā)動機(jī)通過國家設(shè)計審批。太行”該發(fā)動機(jī)是我國自主研制的第一臺大推力加力渦扇發(fā)動機(jī)。2024年1月29日，我國自主研制的AE100先進(jìn)民用渦軸發(fā)動機(jī)結(jié)冰適航試驗圓滿完成。

與渦槳發(fā)動機(jī)相比，渦扇發(fā)動機(jī)的外部風(fēng)扇在飛機(jī)的進(jìn)氣口內(nèi)，避免了螺旋獎在高速飛行時效率低的缺點；與渦噴發(fā)動機(jī)相比，渦扇發(fā)動機(jī)具有空氣流量大排氣速度低推進(jìn)效率高油耗低等優(yōu)點，適合作為高亞音速客機(jī)和運輸機(jī)的動力。進(jìn)入21世紀(jì)，在民用領(lǐng)域，渦扇發(fā)動機(jī)已成為民用干線客機(jī)市場最重要的組成部分，并建造了滿足不同級別的干線客機(jī)、支線飛機(jī)和所需的噴氣式公務(wù)機(jī)產(chǎn)品線。

飛機(jī)動力裝置既是熱機(jī)又是螺旋槳。熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，螺旋槳將可利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)功，而推進(jìn)功就是發(fā)動機(jī)拉力（推力）為克服飛機(jī)運動中的阻力所做的工作。基于質(zhì)量增加的原理，當(dāng)發(fā)動機(jī)獲得一定的機(jī)械能時，它將能量傳遞給工作介質(zhì)工作介質(zhì)的質(zhì)量流量越大，推進(jìn)質(zhì)量越大，發(fā)動機(jī)推力越大。因此，通過重新分配燃?xì)獾目捎媚芰坎⒉糠帜芰哭D(zhuǎn)移到外部涵道，可以增加發(fā)動機(jī)的總空氣流量并降低排氣速度，最終在一定的飛行速度范圍內(nèi)增加發(fā)動機(jī)推力并降低油耗。

風(fēng)扇由一級或多級渦輪驅(qū)動在風(fēng)扇中加壓后，自由空氣在流出風(fēng)扇出口時分成兩股氣流：一股氣流進(jìn)入內(nèi)部導(dǎo)管，流入核心機(jī)和驅(qū)動風(fēng)扇的低壓渦輪，最后從尾噴管流出，稱為內(nèi)部氣流，是核心機(jī)的質(zhì)量流量。一股氣流進(jìn)入外部管道，流經(jīng)堆芯外殼和外部管道外殼之間的環(huán)形通道，這稱為外部管道氣流，是一種額外的推進(jìn)質(zhì)量流。來自高壓渦輪的氣體首先在低壓渦輪中膨脹做功，然后在尾噴管中膨脹加速。氣體通過一個低壓渦輪，它的溫度、排氣速度降低，進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)管的氣體產(chǎn)生的推力減小，噴管的排氣能量也相應(yīng)降低。而流經(jīng)外涵道的空氣被風(fēng)扇壓縮，壓力增大，在尾噴管內(nèi)膨脹加速后產(chǎn)生一定的推力。渦扇發(fā)動機(jī)的總推力由涵道內(nèi)外兩股氣流產(chǎn)生的推力之和構(gòu)成。對外涵流增加動力的過程增加了外涵流的排氣速度，降低了內(nèi)涵氣流的排氣速度在亞音速飛行條件下工作時，較低的噴射速度可以降低排氣噪聲。與渦噴發(fā)動機(jī)相比，總推力增加、能量損失降低、耗油率降低、降噪是渦扇發(fā)動機(jī)的工作特性。

與渦輪噴氣發(fā)動機(jī)相比，渦扇發(fā)動機(jī)具有外涵道和風(fēng)扇級組，因此增加了驅(qū)動風(fēng)扇的渦輪級組。渦扇發(fā)動機(jī)由核心機(jī)組成（壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪）以及低壓渦輪和由低壓渦輪驅(qū)動的風(fēng)扇、有兩個外涵道，所以也叫內(nèi)外涵道發(fā)動機(jī)。內(nèi)、外部涵洞氣流可單獨排出（平行排氣），也可混合排出（外部管道氣流通過混合器進(jìn)入內(nèi)部管道）來自典型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、從高壓壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，風(fēng)扇的直徑實際上更大、長葉片軸流壓縮機(jī)。

風(fēng)扇及葉片

風(fēng)機(jī)通常為高壓比跨音速，工作葉片一般由葉身和葉根組成。提高風(fēng)機(jī)的單級增壓比、效率和喘振裕度是風(fēng)扇設(shè)計的主要方向。

渦扇發(fā)動機(jī)

軍用風(fēng)扇技術(shù)的重點是減少風(fēng)扇級數(shù)以使風(fēng)扇更輕更可靠，民用發(fā)動機(jī)風(fēng)扇研究的重點是降低噪聲。空心風(fēng)扇葉片、隨著整體葉片轉(zhuǎn)子有機(jī)復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，風(fēng)扇部件的重量已經(jīng)減輕。

核心發(fā)動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇可以制造變循環(huán)發(fā)動機(jī)或渦扇發(fā)動機(jī)（渦噴）模式操作，以取代兩級高壓壓縮機(jī)，并減輕發(fā)動機(jī)的重量。在 90 之前，大多數(shù)發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片都采用大展弦比和細(xì)長葉片制成。小展弦比的寬弦葉片，如空心寬弦風(fēng)扇葉片、前掠和后掠寬弦風(fēng)扇葉片通過擴(kuò)散連接/采用超塑成形技術(shù)后，解決了抗外物沖擊和抗振動的問題。

在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，各種葉片(風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片)不僅數(shù)量大(3000-4000件以上)而且要求很高，其工作質(zhì)量對發(fā)動機(jī)性能影響很大。尤其是發(fā)動機(jī)葉片斷裂后，會造成極其嚴(yán)重的后果。目前在風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪和低壓渦輪的工作葉片和靜子葉片已完全采用三維氣動設(shè)計(例如GE90和CFM56 -7等)小展弦比寬弦葉片、可控擴(kuò)散度(CDA )葉型、寬弦無肩設(shè)計等新技術(shù)。

壓氣機(jī)

壓縮機(jī)是發(fā)動機(jī)的心臟。在渦扇發(fā)動機(jī)的研制中，為了滿足發(fā)動機(jī)整體性能的要求，壓氣機(jī)的增壓比不斷提高。壓氣機(jī)性能的提高主要是提高單級平均增壓比和級效率。級壓比的提高主要依靠提高葉尖速度和葉片載荷，即葉片通道的擴(kuò)散能力，壓氣機(jī)效率的提高主要通過改進(jìn)葉型設(shè)計和嚴(yán)格控制葉尖間隙來實現(xiàn)。IHPTET 規(guī)劃的壓縮機(jī)設(shè)計概念是具有增強(qiáng)的流量的壓縮機(jī)。這種設(shè)計使發(fā)動機(jī)的馬赫數(shù)增加了一倍，并在整個馬赫數(shù)范圍內(nèi)保持高循環(huán)水平。這種提高了循環(huán)能力的壓縮機(jī)將用于運輸、超聲速巡航、攔截任務(wù)提供了相同的壓縮機(jī)技術(shù)。

燃燒室

燃燒室出口溫度場直接影響渦輪導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命。環(huán)形燃燒室比環(huán)形燃燒室輕、結(jié)構(gòu)緊湊、表面積與體積的比率很小，因此需要減少冷卻空氣的量，并且不存在火焰轉(zhuǎn)移問題雖然調(diào)試?yán)щy，燃燒室剛性差，但技術(shù)實現(xiàn)后得到了廣泛應(yīng)用高涵多德渦扇發(fā)動機(jī)都采用環(huán)形燃燒室。雙環(huán)腔燃燒室等新結(jié)構(gòu)技術(shù)、分級燃燒室、多孔鑄造和浮動壁火焰管帶來低污染、冷卻效果好、延長使用壽命等優(yōu)點和應(yīng)用前景。

渦輪

渦扇發(fā)動機(jī)的特點之一是渦輪前燃?xì)鉁囟雀撸瑑?nèi)部流量相對較小，對渦輪材料的要求較高。使用耐高溫材料，如定向結(jié)晶、單晶精密鑄造渦輪葉片；采用對流、氣膜和沖擊相結(jié)合的冷卻方式可以提高渦輪前的燃?xì)鉁囟龋瑵M足減少冷卻空氣流量的需要。渦扇發(fā)動機(jī)的膨脹比很高，渦輪級很多采用主動控制徑向間隙的技術(shù)還可以使巡航油耗降低1%左右。反轉(zhuǎn)高低壓渦輪機(jī)（ F119、YF120、特倫特）高壓渦輪葉片的復(fù)雜和有效冷卻、低熱導(dǎo)率熱障涂層已成為提高渦輪前燃?xì)鉁囟鹊挠行Т胧?/p>

混合器

渦扇噴氣發(fā)動機(jī)通常有兩種不同的排氣方式。一種是內(nèi)外涵分別從各自的噴嘴排氣，這種類型稱為非混合式，也稱為分離式排氣；另一種是有內(nèi)涵和涵道的氣體先在混合器中混合，然后從同一個噴嘴排出，稱為混合型。在相同內(nèi)涵輸出能量和相同涵道比的前提下，采用混合排氣方式可以提高發(fā)動機(jī)的總推力、降低燃油消耗率、發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)(包括噴管、消聲系統(tǒng)和反推力裝置等)設(shè)計簡化、降低發(fā)動機(jī)聲音、方便使用噴射器噴嘴等。對于高涵多比發(fā)動機(jī)，為了減輕外部涵道的結(jié)構(gòu)重量，通常采用非混合排氣。涵道比為2的發(fā)動機(jī)不能采用混合排氣式，主要是排氣極不均勻，影響推力。帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動機(jī)都使用混合排氣。

加力燃燒室

渦扇發(fā)動機(jī)加力燃燒室的工作特點是油耗高且需要大范圍調(diào)節(jié)，增加了燃油噴嘴及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。加力渦扇發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)和軍用運輸機(jī)，也可用于垂直起降飛機(jī)。它的優(yōu)點是起飛推力大，噪音低。加力渦扇發(fā)動機(jī)用于作戰(zhàn)飛機(jī)，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)，具有增加推重比和迎面推力的優(yōu)點。

加力燃燒室按渦扇發(fā)動機(jī)加力方式可分為外涵道加力燃燒室、核心流加力、平行流加力燃燒室和混合流加力燃燒室；根據(jù)加力燃燒室中的氣流形式，可分為直流加力燃燒室和渦流加力燃燒室。加力燃燒室通常由擴(kuò)壓器組成、摻混器、噴油裝置、火焰穩(wěn)定器、點火器、隔熱防震屏和施力氣缸等。從外導(dǎo)管流出的空氣通過混合器流入低壓渦輪的流動通道，并在低壓渦輪之后與燃料氣體混合混合后的燃?xì)馐紫冉档土藬U(kuò)壓器內(nèi)的流速，燃油噴射裝置噴出的燃油與燃?xì)饣旌希細(xì)饨档土藬U(kuò)壓器內(nèi)的流速火焰穩(wěn)定器在加力燃燒室的高速氣流中形成回流區(qū)，穩(wěn)定火焰，組織燃燒。

阻燃鈦合金

通常，合金不能用于高壓壓縮機(jī)的外殼。研究表明在合金中加入超過 20%釩含量高于 13%鉻可以阻止鈦的燃燒，并具有高的機(jī)械性能。美國已經(jīng)成功地將這種合金命名為c(Alloy  C) Ti-35V-15Cr用于制造 F119 高壓壓縮機(jī)外殼、加力燃燒室氣缸和尾噴管的魚鱗；英國正在開發(fā)低價Ti-25V-15Cr-2~3)鋁阻燃鈦合金。

復(fù)合材料運用

GE90 發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片由中長碳纖維和增強(qiáng)環(huán)氧樹脂組成，稱為“大力神” 復(fù)合材料使葉身和葉根融為一體為了提高葉片對大鳥的抗沖擊性，在葉片的前緣和盆部粘有鈦合金片；其最新衍生產(chǎn)品GE90-115B，也使用復(fù)合材料。F119的風(fēng)扇進(jìn)氣道機(jī)匣最初是鈦合金的，后來是復(fù)合材料的；與鈦殼相比，復(fù)合材料的重量減輕了6.75kg。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料前軸承座可在200℃以上的溫度下工作，與鑄鐵軸承座相比，重量和成本明顯降低。由 金屬基復(fù)合材料制成的低壓渦輪軸重量輕、剛度大。碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料制成的火焰管仍能在1480℃工作。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)汗冷卻火焰管可減少主動冷卻空氣流量33，356，100%，減重大于50%

零部件改進(jìn)

例如帶有環(huán)的前掠風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、非金屬非冷卻熱端零件、鑄冷”的高、低壓渦輪葉片、用不同材料焊接的渦輪轉(zhuǎn)子、雙重?zé)崽幚頊u輪盤、陶瓷材料制成的滾動軸承滾子和激光沖擊強(qiáng)化處理等。

根據(jù)安裝在發(fā)動機(jī)前部或后部的風(fēng)扇，可分為前風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和后風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。但由于動葉片的成本和氣流之間的密封問題，渦輪的后部結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用較少，僅適用于超大型涵洞3356(UHB) 發(fā)動機(jī)。通常，渦扇發(fā)動機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子的數(shù)量分為單轉(zhuǎn)子和多轉(zhuǎn)子兩種類型。

單轉(zhuǎn)子

M53是世界上唯一仍在服役的單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)。在1960年代后期由法國開發(fā)，它是一種單轉(zhuǎn)子軍用加力渦扇發(fā)動機(jī)，配備有“幻影”2000。其工作特點是擴(kuò)大單軸渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的前三級壓氣機(jī)，并在其后部增加外部管道，從而成為雙管道發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)的總壓比為9，推重比為6.2屬于同代軍用渦扇發(fā)動機(jī)中性能水平較低的。但是，由于其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)難度較小，因此在技術(shù)上優(yōu)于美國、英國、蘇聯(lián)相對較弱的法國已經(jīng)實現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的渦扇發(fā)動機(jī)。

雙轉(zhuǎn)子

大多數(shù)渦扇發(fā)動機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：具有兩個同心軸轉(zhuǎn)子，僅通過氣動連接。在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇后面的壓氣機(jī)稱為高壓壓氣機(jī)；燃燒室后、驅(qū)動高壓壓氣機(jī)的渦輪稱為高壓渦輪；高壓壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子形成高壓轉(zhuǎn)子。位于高壓渦輪后、驅(qū)動風(fēng)扇的渦輪稱為低壓渦輪；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子形成低壓轉(zhuǎn)子。

三轉(zhuǎn)子

三個三轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)只有氣動連接、并且具有同心軸轉(zhuǎn)子。高壓壓縮機(jī)分為中壓壓縮機(jī)、高壓兩個轉(zhuǎn)子，分別由中壓、高壓是由兩個渦輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動的，高壓是通過增加一個軸形成的、由中壓和低壓渦輪機(jī)驅(qū)動的三個系統(tǒng)。世界上只有少數(shù)渦扇發(fā)動機(jī)采用三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如英國·羅馬尼亞的RB211民用高涵多比渦扇發(fā)動機(jī)和Trent系列發(fā)動機(jī)、英國德國和意大利聯(lián)合研制的RB199軍用加力渦扇發(fā)動機(jī)、前蘇聯(lián)的D-18T、D-36、D-436民用高涵多比渦扇發(fā)動機(jī)、美國ATF3齒輪驅(qū)動的渦扇發(fā)動機(jī)等，具有超過20的總壓增加比。尤其是發(fā)動機(jī)性能更好、零件數(shù)目少、重量輕。