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科普帖:介绍涡扇发动机[组图]

 麓路 2008-03-08
介绍涡扇发动机[重贴]

文章提交者:哺乳纲啮齿目 加贴在 空军论坛

这篇是沉掉的文章,由于时常还有人来拜访并发问,所以整理后再发一次。。。


      涡扇,英文Turbofan,是指有管道的高速风扇,由燃气涡轮驱动。和所有燃气涡轮机一样,动力都是来自由空气压缩机压缩,再与油料一起燃烧后的高能气体,用涡轮把高温高压的气体中部份的动能化为机械能,再用这机械能驱动前端的压缩机继续吸入空气。同时涡轮也驱动着高速风扇带来更多的推动力。

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现代涡扇,通常风扇都在发动机的最前端。民航机或任何亚音速的飞机通常只有一级风扇。风扇后接着是低压涡轮压缩机,然后是高压压缩机。无论是高压还是低压,压缩机的级数因个别设计而异。低压从小型涡轮的一级到大型民航机的九级不等。高压从小型的一级离心式到大型的17级不等的轴向式。新式的涡扇都是三轴的,一轴从另一轴间穿过。由不同级的涡轮以不同的速度驱动。现代涡扇发动机的压比大的可达40以上(GE90系列,Trent 900,1000)。压比越大效率越高越省油。

也有涡扇把风扇安装在后面。比如GE的CF700,虽然简化了发动机的构造,但是结果令人失望。第一,涡扇基本是一级低压缩比的压缩机。早期的涡扇静压比在1.2左右,现代的大涵道涡扇可到1.8左右。涡扇后面要有足够长度的扩散器,让空气有效的把静压转换为动能。而后置式涡扇如果要做到这一点必须增加不必要的长度,影响飞机的升力。

其次是后置式涡扇因为前端压缩机造成的付面層而让涡扇入口处的空气状态不理想,需要加大风扇的口径才能达到所要求的推动力。而大口径的风扇如果不增加推动力,飞行的阻力依旧的增加。所以推力/阻力比不好。

最后,前置式风扇的好处在于增加空气进入压缩机前的压力,并且把速度减低,让进入压缩机前空气先被处理过,缩小压缩机的正面口径从而不增加发动机总体积的情况下增加涵道比。因为涡扇、低压机和高压机由不同的轴及涡轮以不同的速度驱动,总体操作范围可以受到控制,增加安全性。

现代民航用涡扇的涵道比可达8左右,而战斗机涡扇却只有在0.3-0.7之间。战斗机因为要兼顾亚音速的机动性和超音速的稳定性而不能有大涵道的经济。战斗机的涡扇通常要三级左右,更象压缩机。双轴的战斗发动机则以几级的压缩机同时兼顾低压和涡扇的功能。涵道比越大,涡扇在高亚音速的推动越有效,飞行就越省油。但一旦飞机超越音速,大涵道涡扇的效率就很快下降,涵道比越大高速阻力就越快超过推动力。

前不久有网友提到涡桨,跟涡扇混乱了。涡桨和涡扇不同的是那个管道,螺旋桨用涡轮燃气机驱动的就叫涡桨。还有就是速度,涡桨的旋转速度限制于桨叶尖的速度。在常用的螺旋桨尺寸中,通常旋转速度不会超过2000转/分钟。因为大于这个转速叶尖的速度会超过音速而造成效率下降,最终失速。所以涡桨发动机通常会有一个变速箱来调整螺旋桨的速度。涡桨在低亚音速时最有效(大概时速400英里以下)。当空速提高到某一程度时需要的将叶两面的压力差距会很大,区区几片桨叶无法把压力的差距顶住,所以需要很多片桨叶。同时需要一个管筒封住叶尖以免空气因压力差距而向前流。

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小型涡扇Williams International FJ44

最大直径21英寸

涵道比忘了,应该在2-3左右

推力在3500磅左右

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FJ44的“内脏”

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最前端那个是风扇,后面跟着是低压机,高压机,然后是高压涡轮,最后两级是低压涡轮。

高压涡轮靠一条空心轴连接高压缩机上,低压涡轮靠另一条轴穿过第一条空心轴连接低压缩机。两条轴的速度不一样,主要目的是平衡高低压缩机的流量,称为“防喘”。这高压机是离心式的,用在较小的发动机上。

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这就是CF700。风扇在后头。与最后的一级涡轮安在同一条轴上

很奇怪的涡桨UDF。两节螺旋桨安在燃气涡轮机后面由个别涡轮驱动。螺旋桨的转动方向不一样

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小型涡喷J402。没扇也没桨。一级低压,一级离心式高压。巡行导弹用的是这一种

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把航空界吓呆的Trent 1000,大涵道涡扇,涵道比8左右。看看它的风扇比涡轮“心”大多少!!

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再看看普惠早期JT8D小涵道涡扇

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TPE331 涡桨。前面乱七八糟的是变速箱。

两级离心式压缩机,三级轴向式涡轮。

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涡桨 TP400,给A400M运输机用的,一样有变速箱,但和TPE331不一样的地方是压缩机。TP400有五节低压,六级高压,全都是轴向式

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所谓的涡轴发动机,直升机用的。其实在前面安个螺旋桨就是一部涡桨

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好,现在来看看战机用发动机。普惠F100,大名鼎鼎的F15,F16用的。

三级风扇同时兼顾低压机,小涵道设计,估计涵道压缩比5-9左右。涵道空气进入后面的后燃室(开加力燃烧用的)。

十级高压机,三级涡轮。涡轮后面那一圈一圈的是后燃油料喷口。虽然推力大,但是很不经济。

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GE 的F110,给F16用的。大同小异,小涵道涡扇。

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F35的F136涡扇,前面的涡扇是垂直的

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F22的F119涡扇

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涡轮喷射机,英文Turbojet也是一种燃气轮机,就是只有压缩机,燃烧室和涡轮重要部分组成的发动机,就如前面说的没桨也没扇。 涡喷在亚音速表现非常糟糕,虽然推力大但是很耗油。

参考下图,涡喷(Turbo Jet)、涡扇(Turbo Fan)、无管道螺旋桨(Free Props)和有管道低速风扇(Duct Fans)的推动效率(Propulsive Efficiency)都个别在不同的空速下有一个高峰。螺旋桨,无论是涡轮驱动或内燃机驱动,在时速400英里之后就不行了。在在时速400英里之后效率就比涡扇低。同样的,涡扇在时速500英里之后效率就低于涡喷。

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这是很老的图了,因为现代涡扇和涡喷的先进设计,效率的高峰位置比这要大得多。

Olympus, 很经典的协和机用的发动机就是一部涡喷。

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船用的燃气涡轮机就是一部涡轴。上面LM2500有两节涡轮转动前面的压缩机,后面的六级驱动着螺旋桨。注意后面驱动轴,可接在变速箱上。船用的就是重一点。也可拿来发电用。

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RR的Pengasus F402和F136就是双轴对转的例子。前者是AV8海鹞的发动机,后者是F35B的发动机。两者都是垂直起降飞机。因为垂直起降飞机最小转弯半径非常小,甚至可以是零。所以陀螺效应非常明显,在原地转向时会失控而掉下来。机匣载荷非常大。甚至有过轴承被压碎的例子。双轴对转可以抵消陀螺效应...

闲来无事,照例挑挑错吧

“新式的涡扇都是三轴的”这句话应该改成“都是多轴”的,毕竟除了罗罗,都是双轴的。

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“两条轴的速度不一样,主要目的是平衡高低压缩机的流量,称为“防喘”。”这句话改成“主要目的是使各轴的速度与高低压压气机的气流速度相匹配”,更容易理解,而且高低压压气机的质量流量肯定是一样的。

最后再罗嗦两句,GENX和TRENT1000居然都是双轴对转的!(TRENT1000的风扇轴和低速轴是一个方向),这两个家伙真不争气,枉我当初跟啮齿兄争辩现在的涡扇没有对转的

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

 


 
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GENX

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trent1000

 

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