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涡扇发动机的主体结构可以看做由一粗一细的两根管子套在一起形成的。较细的那根管子从前到后依次包裹着低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、中/低压涡轮，最后连接到尾喷管（战机发动机在尾喷管前还常有加力燃烧室）。由于各级压气机叶轮的直径逐渐缩小，较细的这根管子不是直桶形，而是类似于细腰花瓶一样的形状（图1）。这根较细的管子所包裹的内部空间就叫做内涵道。而套在内涵道外部的较粗的管子从前到后依次包裹着风扇（民航客机发动机上可见的旋转叶轮）和部分或整个内涵道。涡扇发动机是这样工作的：旋转的风扇从发动机前方吸入空气，其中一部分空气进入内涵道，另一部分进入外涵道。进入内涵道的空气再经过一系列串联的叶轮，即压气机（为简化起见，压气机的结构和原理以后叙述，这里姑且把压气机看成一系列直径较小的风扇），每经过一级压气机空气就被压缩，密度增大、温度上升。经过低压和高压压气机压缩的空气继续向前来到燃烧室，在燃烧室中与喷入的燃油混合燃烧。燃烧的高温使空气膨胀冲击燃烧室后方的涡轮。涡轮就像风车一样，所不同的是风车是靠流动的空气驱动，而涡轮是靠燃烧室排放的高温高压燃气驱动。燃气驱动涡轮做功，由于涡轮跟风扇、低压和高压压气机连在同一根轴上，因此涡轮带动前方的风扇、高压和低压压气机转动，继续为燃烧室提供空气。这样，一个稳定的做功循环就建立起来了。至于进入外涵道的空气则直接从外涵道末端排出。 现代喷气飞机的发动机大多采用环形燃烧室，其形状就像一个救生圈，它合抱着涡轮轴，在其前方是风扇和压气机，后方是涡轮（图4）。经过风扇和压气机加压的高压空气从燃烧室前端入口进入燃烧室，在燃烧室内部与喷入的燃油混合燃烧。我们都知道物体有热胀冷缩的性质，其中尤其以气体在受热时膨胀的幅度最大。在燃料燃烧放出的高热作用下，高压燃气升温并膨胀。这股迅速膨胀的高温高压燃气从燃烧室另一头的环形出口喷出，经设置在燃烧室出口外的导流叶片偏转喷射角度以后，燃气以最合适的角度喷射涡轮叶片，“吹动”涡轮转动。小时候玩过用嘴吹动风车的人都知道，只有以某个特定的合适角度吹风车时，风车才转得最快，燃烧室出口的导流叶片的作用，就是调整燃气气流角度，使其最有效率地推动涡轮转动。 2.2燃烧室和涡轮 现代喷气飞机的发动机大多采用环形燃烧室，其形状就像一个救生圈，它合抱着涡轮轴，在其前方是风扇和压气机，后方是涡轮（图4）。经过风扇和压气机加压的高压空气从燃烧室前端入口进入燃烧室，在燃烧室内部与喷入的燃油混合燃烧。我们都知道物体有热胀冷缩的性质，其中尤其以气体在受热时膨胀的幅度最大。在燃料燃烧放出的高热作用下，高压燃气升温并膨胀。这股迅速膨胀的高温高压燃气从燃烧室另一头的环形出口喷出，经设置在燃烧室出口外的导流叶片偏转喷射角度以后，燃气以最合适的角度喷射涡轮叶片，“吹动”涡轮转动。小时候玩过用嘴吹动风车的人都知道，只有以某个特定的合适角度吹风车时，风车才转得最快，燃烧室出口的导流叶片的作用，就是调整燃气气流角度，使其最有效率地推动涡轮转动。
 图4 核心机示意图 涡轮是一种能把流体的动能转化为扭矩输出的机械装置。水电站的水轮、火电站和航母上的蒸汽轮机的汽轮、燃气轮机的燃气涡轮都是某种形式的涡轮，只不过它们的工作介质不同，分别是液态水、水蒸气和燃气。涡轮的工作环境真是如炼狱一般。以苏27的发动机为例，其涡轮入口处的燃气温度就有1400多K（1100摄氏度以上），而美国的F22的发动机，其涡轮入口的燃气温度更达到1700K（1400摄氏度以上）。在如此高温的环境中长时间工作，普通的钛合金都会软化变形。因此开发出合适的耐高温材料就成为生产大推力航空发动机的关键之一。由于陶瓷的脆性等原因，现阶段还没有一种实用的陶瓷涡轮被开发出来，因此，各航空大国的注意力都集中在了耐高温合金材料的开发。镍系合金材料的确能够耐高温，但其密度较大，会拉低发动机的推重比（发动机推力与自重之比），因此在需要斤斤计较的航空用涡扇发动机上，科研人员集中精力开发耐高温的轻合金材料和加工工艺来满足生产涡轮盘和涡轮叶片材料的需求。这种配方也都是各国航空发动机的核心机密。 2.3传动机构 涡扇发动机中，以燃烧室为界，前方的风扇、压气机属于被带动的从动部分，而后方的涡轮属于直接产生动力的主动部分。把涡轮的动力传递给风扇和压气机的，就是位于发动机中轴线上，穿过救生圈形的环状燃烧室的涡轮轴。如果风扇、压气机和涡轮都串联在同一根涡轮轴上，那么它们转速也必然相等，这叫做一级传动。但是，一级传动对于进一步提高涡扇发动机的推力，挖掘潜力来说是很大的障碍。因为风扇和压气机其实各自有自己最理想的工作转速，如果让它们在一根轴上，那么转速必然相同，不可能使双方同时在最高效率的转速下工作。位于发动机最前端的风扇是所有叶轮中直径最大的，直径大拨动的空气就多，所受阻力自然就大，再加上相同转速时直径越大离心力越大，因此，风扇的最佳工作转速较低，大涵道发动机的巨大风扇更是这样。然而，压气机，尤其是高压压气机需要在极高转速下才能高效地压缩空气。为此，就出现了可以使风扇和压气机在不同转速下工作的二级、甚至三级传动系统。  图6 二级传动系统示意图 二级传动系统是把涡轮分成两部分，即高压和低压涡轮。紧靠着燃烧室出口后方的几枚涡轮叫做高压涡轮。由于驱动高压涡轮的是刚从燃烧室排出的高温高压燃气，因此高压涡轮的转速非常快。高压涡轮轴穿过环形燃烧室中间，把高压涡轮的动力传递给紧靠在燃烧室入口前的高压压气机。因此，高压压气机与高压涡轮转速相同，并且都是很高的转速。因为驱动高压涡轮而消耗掉一部分能量的燃气继续向发动机后方运动，驱动低压涡轮。由于在驱动高压涡轮时已经消耗部分能量，低压涡轮的转速也就比高压涡轮低。低压涡轮轴比高压涡轮轴更长、更细，套在高压涡轮轴内部（图6），把低压涡轮的动力传递给风扇和低压压气机。因此，二级传动系统中，风扇、低压压气机和低压涡轮的转速是一样的，都比较慢。两层嵌套的涡轮轴之间当然有轴承这样的支撑结构，以及减缓轴承磨损的润滑机构。图6中，相同颜色的部分为同一根涡轮轴上的叶轮。如下图所示，所有颜色相同的叶轮都串联在同一根轴上，转速一致。 此外，还有把涡轮按照离燃烧室出口由近到远的次序依次分为高压、中压和低压涡轮的三级传动。其中转速最慢的低压涡轮通过嵌套在最内部的第三根涡轮轴单独驱动风扇，这样风扇和低压压气机就可以工作在不同的转速下了。 2.4附件传动 涡扇发动机的涡轮轴传递的动力除用来驱动风扇和压气机以外，还有一部分通过径向的传动机构传到发动机机匣外部，用来为一些附件提供动力，比如润滑系统、供油系统等（下图中红圈所示部分）。这和内燃机的凸轮顶杆机构是一样的，内燃机必须在合适的时机开闭气缸顶部的排气阀和喷油阀，而开闭的动力本身就来自内燃机的，只要凸轮角度安装合适，就会在适当的时机顶升顶杆，对相应阀门做开闭操作。 |
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