渦扇發動機

渦扇發動機(Turbofan   engine)也稱為內外涵道發動機，是一種燃氣渦輪發動機，其推力由安裝在壓縮機前部的一個或多個風扇形成的外涵道氣流和從內部噴嘴排出或與內外涵道氣流混合的氣體產生。渦扇發動機由發動機核心機組成（壓氣機、燃燒室和高壓渦輪）以及低壓渦輪和由低壓渦輪驅動的風扇。基于質量增加的原理，通過結合核心機（內涵）部分能量轉移到外涵，增加了發動機的總空氣流量，降低了排氣速度最后，在一定的飛行速度范圍內，發動機的推力增加，油耗降低。

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

與渦槳發動機相比，渦扇發動機的外部風扇在飛機的進氣口內，避免了螺旋獎在高速飛行時效率低的缺點；與渦噴發動機相比，渦扇發動機具有空氣流量大排氣速度低推進效率高油耗低等優點，適合作為高亞音速客機和運輸機的動力。進入21世紀，在民用領域，渦扇發動機已成為民用干線客機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、支線飛機和所需的噴氣式公務機產品線。

飛機動力裝置既是熱機又是螺旋槳。熱機將熱能轉化為機械能，螺旋槳將可利用的機械能轉化為推進功，而推進功就是發動機拉力（推力）為克服飛機運動中的阻力所做的工作。基于質量增加的原理，當發動機獲得一定的機械能時，它將能量傳遞給工作介質工作介質的質量流量越大，推進質量越大，發動機推力越大。因此，通過重新分配燃氣的可用能量并將部分能量轉移到外部涵道，可以增加發動機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增加發動機推力并降低油耗。

風扇由一級或多級渦輪驅動在風扇中加壓后，自由空氣在流出風扇出口時分成兩股氣流：一股氣流進入內部導管，流入核心機和驅動風扇的低壓渦輪，最后從尾噴管流出，稱為內部氣流，是核心機的質量流量。一股氣流進入外部管道，流經堆芯外殼和外部管道外殼之間的環形通道，這稱為外部管道氣流，是一種額外的推進質量流。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，進入內導管的氣體產生的推力減小，噴管的排氣能量也相應降低。而流經外涵道的空氣被風扇壓縮，壓力增大，在尾噴管內膨脹加速后產生一定的推力。渦扇發動機的總推力由涵道內外兩股氣流產生的推力之和構成。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。與渦噴發動機相比，總推力增加、能量損失降低、耗油率降低、降噪是渦扇發動機的工作特性。

與渦輪噴氣發動機相比，渦扇發動機具有外涵道和風扇級組，因此增加了驅動風扇的渦輪級組。渦扇發動機由核心機組成（壓氣機、燃燒室、高壓渦輪）以及低壓渦輪和由低壓渦輪驅動的風扇、有兩個外涵道，所以也叫內外涵道發動機。內、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入內部管道）來自典型渦輪風扇發動機的風扇、從高壓壓縮機的結構圖可以看出，風扇的直徑實際上更大、長葉片軸流壓縮機。

風扇及葉片

風機通常為高壓比跨音速，工作葉片一般由葉身和葉根組成。提高風機的單級增壓比、效率和喘振裕度是風扇設計的主要方向。

渦扇發動機

軍用風扇技術的重點是減少風扇級數以使風扇更輕更可靠，民用發動機風扇研究的重點是降低噪聲。空心風扇葉片、隨著整體葉片轉子有機復合材料和金屬基復合材料的發展，風扇部件的重量已經減輕。

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

在航空燃氣渦輪發動機中，各種葉片(風扇、壓氣機、渦輪機的轉子葉片和定子葉片)不僅數量大(3000-4000件以上)而且要求很高，其工作質量對發動機性能影響很大。尤其是發動機葉片斷裂后，會造成極其嚴重的后果。目前在風扇、高壓壓氣機、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計(例如GE90和CFM56 -7等)小展弦比寬弦葉片、可控擴散度(CDA )葉型、寬弦無肩設計等新技術。

壓氣機

壓縮機是發動機的心臟。在渦扇發動機的研制中，為了滿足發動機整體性能的要求，壓氣機的增壓比不斷提高。壓氣機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，即葉片通道的擴散能力，壓氣機效率的提高主要通過改進葉型設計和嚴格控制葉尖間隙來實現。IHPTET 規劃的壓縮機設計概念是具有增強的流量的壓縮機。這種設計使發動機的馬赫數增加了一倍，并在整個馬赫數范圍內保持高循環水平。這種提高了循環能力的壓縮機將用于運輸、超聲速巡航、攔截任務提供了相同的壓縮機技術。

燃燒室

燃燒室出口溫度場直接影響渦輪導向葉片和轉子葉片的壽命。環形燃燒室比環形燃燒室輕、結構緊湊、表面積與體積的比率很小，因此需要減少冷卻空氣的量，并且不存在火焰轉移問題雖然調試困難，燃燒室剛性差，但技術實現后得到了廣泛應用高涵多德渦扇發動機都采用環形燃燒室。雙環腔燃燒室等新結構技術、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、延長使用壽命等優點和應用前景。

渦輪

渦扇發動機的特點之一是渦輪前燃氣溫度高，內部流量相對較小，對渦輪材料的要求較高。使用耐高溫材料，如定向結晶、單晶精密鑄造渦輪葉片；采用對流、氣膜和沖擊相結合的冷卻方式可以提高渦輪前的燃氣溫度，滿足減少冷卻空氣流量的需要。渦扇發動機的膨脹比很高，渦輪級很多采用主動控制徑向間隙的技術還可以使巡航油耗降低1%左右。反轉高低壓渦輪機（ F119、YF120、特倫特）高壓渦輪葉片的復雜和有效冷卻、低熱導率熱障涂層已成為提高渦輪前燃氣溫度的有效措施。

混合器

渦扇噴氣發動機通常有兩種不同的排氣方式。一種是內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動機的總推力、降低燃油消耗率、發動機排氣系統(包括噴管、消聲系統和反推力裝置等)設計簡化、降低發動機聲音、方便使用噴射器噴嘴等。對于高涵多比發動機，為了減輕外部涵道的結構重量，通常采用非混合排氣。涵道比為2的發動機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動機都使用混合排氣。

加力燃燒室

渦扇發動機加力燃燒室的工作特點是油耗高且需要大范圍調節，增加了燃油噴嘴及其調節系統設計的復雜性。加力渦扇發動機廣泛應用于民用飛機和軍用運輸機，也可用于垂直起降飛機。它的優點是起飛推力大，噪音低。加力渦扇發動機用于作戰飛機，尤其是戰斗機，具有增加推重比和迎面推力的優點。

加力燃燒室按渦扇發動機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壓器組成、摻混器、噴油裝置、火焰穩定器、點火器、隔熱防震屏和施力氣缸等。從外導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氣首先降低了擴壓器內的流速，燃油噴射裝置噴出的燃油與燃氣混合，燃氣降低了擴壓器內的流速火焰穩定器在加力燃燒室的高速氣流中形成回流區，穩定火焰，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，并具有高的機械性能。美國已經成功地將這種合金命名為c(Alloy  C) Ti-35V-15Cr用于制造 F119 高壓壓縮機外殼、加力燃燒室氣缸和尾噴管的魚鱗；英國正在開發低價Ti-25V-15Cr-2~3)鋁阻燃鈦合金。

復合材料運用

GE90 發動機的風扇葉片由中長碳纖維和增強環氧樹脂組成，稱為“大力神” 復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；其最新衍生產品GE90-115B，也使用復合材料。F119的風扇進氣道機匣最初是鈦合金的，后來是復合材料的；與鈦殼相比，復合材料的重量減輕了6.75kg。碳纖維增強復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 金屬基復合材料制成的低壓渦輪軸重量輕、剛度大。碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料制成的火焰管仍能在1480℃工作。陶瓷基復合材料發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

例如帶有環的前掠風扇轉子、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子、雙重熱處理渦輪盤、陶瓷材料制成的滾動軸承滾子和激光沖擊強化處理等。

根據安裝在發動機前部或后部的風扇，可分為前風扇發動機和后風扇發動機。但由于動葉片的成本和氣流之間的密封問題，渦輪的后部結構設計和使用較少，僅適用于超大型涵洞3356(UHB) 發動機。通常，渦扇發動機根據轉子的數量分為單轉子和多轉子兩種類型。

單轉子

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

雙轉子

大多數渦扇發動機采用雙轉子結構：具有兩個同心軸轉子，僅通過氣動連接。在雙轉子渦扇發動機中，風扇后面的壓氣機稱為高壓壓氣機；燃燒室后、驅動高壓壓氣機的渦輪稱為高壓渦輪；高壓壓縮機轉子和高壓渦輪轉子形成高壓轉子。位于高壓渦輪后、驅動風扇的渦輪稱為低壓渦輪；風扇轉子和低壓渦輪轉子形成低壓轉子。

三轉子

三個三轉子渦輪風扇發動機只有氣動連接、并且具有同心軸轉子。高壓壓縮機分為中壓壓縮機、高壓兩個轉子，分別由中壓、高壓是由兩個渦輪轉子驅動的，高壓是通過增加一個軸形成的、由中壓和低壓渦輪機驅動的三個系統。世界上只有少數渦扇發動機采用三轉子結構，如英國·羅馬尼亞的RB211民用高涵多比渦扇發動機和Trent系列發動機、英國德國和意大利聯合研制的RB199軍用加力渦扇發動機、前蘇聯的D-18T、D-36、D-436民用高涵多比渦扇發動機、美國ATF3齒輪驅動的渦扇發動機等，具有超過20的總壓增加比。尤其是發動機性能更好、零件數目少、重量輕。