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渦扇噴氣發(fā)動機的工作原理如何?

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-11-05

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◆壓氣機　　壓氣機故名思意，就是用來壓縮空氣的一種機械。在噴氣發(fā)動機上所使用的壓氣機按其結構和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓氣機，一類是軸流式壓氣機。離必式壓氣機的外形就像是一個鈍角的扁圓錐體。在這個圓錐體上有數(shù)條螺旋形的葉片，當壓氣機的圓盤運轉時，空氣就會被螺旋形的葉片“抓住”，在高速旋轉所帶來的巨大離心力之下，空氣就會被甩進壓氣機圓盤與壓氣機機匣之間的空隙，從而實現(xiàn)空氣的增壓。與離心式壓氣機不同，軸流式壓氣機是由多級風扇所構成的，其每一級都會產(chǎn)生一定的增壓比，各級風扇的增壓比相乘就是壓氣機的總增壓比。　　在現(xiàn)代渦扇發(fā)動機上的壓氣機大多是軸流式壓氣機，軸流式壓氣機有著體積小、流量大、單位效率高的優(yōu)點，但在一些場合之下離心式壓氣機也還有用武之地，離心式壓氣機雖然效率比較差，而且重量大，但離心式壓氣機的工作比較穩(wěn)定、結構簡單而且單級增壓比也比軸流式壓氣機要高數(shù)倍。比如在我國臺灣的ＩＤＦ上用的雙轉子結構的ＴＦＥ１－０４２－７０渦扇發(fā)動機上，其高壓壓氣機就采用了四級軸流式與一級離心式的組合式壓氣機以減少壓氣機的級數(shù)。多說一句，這樣的組合式壓氣機在渦扇發(fā)動機上用的不多，但在直升機上所使用的渦軸發(fā)動機現(xiàn)在一般都為幾級軸流式加一級離心式的組合結構。比如國產(chǎn)的渦軸－６、渦軸－８發(fā)動機就是１級軸流式加１級離心式構成的組合壓氣機。而美國的“黑鷹”直升機上的Ｔ－７００發(fā)動機其壓氣機為５級軸流式加上１級離心式。　　壓氣機是渦扇發(fā)動機上比較核心的一個部件。在渦扇發(fā)動機上采用雙轉子結構很大程度上就是為了迎合壓氣機的需要。壓氣機的效率高低直接的影響了發(fā)動機的工作效率。目前人們的目標是提高壓氣機的單級增壓比。比如在Ｊ－７９上用的壓氣機風扇有１７級之多，平均單級增壓比為１．１６，這樣１７級葉片的總增壓比大約為１２．５左右，而用在波音－７７７上的ＧＥ－９０的壓氣機的平均單級增壓比以提高到了１．３６，這樣只要十級增壓葉片總增壓比就可以達到２３左右。而Ｆ－２２的動力Ｆ－１１９發(fā)動機的壓氣機更是了的，３級風扇和６級高壓壓氣機的總增壓比就達到了２５左右，平均單級增壓比為１．４３。平均單級增壓比的提高對減少壓氣機的級數(shù)、減少發(fā)動機的總量、縮短發(fā)動機的總長度是大有好處的。　　但隨著壓氣機的增壓比越來越高，壓氣機振喘和壓氣機防熱的問題也就突現(xiàn)了出來。　　在壓氣機中，空氣在得到增壓的同時，其溫度也在上升。比如當飛機在地面起飛壓氣機的增壓比達到２５左右時，壓氣機的出口溫度就會超過５００度。而在戰(zhàn)斗機所用的低函道比渦扇發(fā)動機中，在中低空飛行中由于沖壓作用，其溫度還會提高。而當壓氣機的總增壓比達到３０左右時，壓氣機的出口溫度會達到６００度左右。如此高的溫度會鈦合金以是難當重任，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的動力之一羅·羅公司的遄達８００與ＥＦ－２０００的動力ＥＪ－２００上就使用了全鈦合金壓氣機。其轉子重量要比使用鎳基合金減重百分之三十左右。　　與壓氣機防熱的問題相比壓氣機振喘的問題要難辦一些。振喘是發(fā)動機的一種不正常的工作狀態(tài)，他是由壓氣機內的空氣流量、流速、壓力的空然變化而引發(fā)的。比如在當飛機進行加速、減速時，當飛發(fā)動機吞水、吞冰時，或當戰(zhàn)斗機在突然以大攻飛行拉起進氣道受到屏蔽進氣量驟減時。都極有可能引起發(fā)動機的振喘。　　在渦扇噴氣發(fā)動機之初，人們就采用了在各級壓氣機前和風扇前加裝整流葉片的方法來減少上一級壓氣機因絞動空氣所帶給下一級壓氣機的不利影響，以克制振喘現(xiàn)像的發(fā)生。而且在Ｊ－７９渦噴發(fā)動機上人們還首次實現(xiàn)了整流葉片的可調整。可調整的整流葉片可以讓發(fā)動機在更加寬廣的飛行包線內正常工作?？墒请S著風扇、壓氣機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。對于風扇人們使用了寬弦風扇解決了在更廣的工作范圍內穩(wěn)定工作的問題，而且采用了寬弦風扇之后即使去掉風扇前的整流葉片風扇也會穩(wěn)定的工作。比如在Ｆ－１５上的Ｆ１００－ＰＷ－１００其風扇前就采用了整流葉片，而Ｆ－２２的Ｆ－１１９就由于采用了三級寬弦風扇所以風扇前也就沒有了整流葉片，這樣發(fā)動機的重量得以減輕，而且由于風扇前少了一層屏蔽其效率也就自然而然的提高了。風扇的問題解決了可是壓氣的問題還在，而且似乎比風扇的問題材更難辦。因為多級的壓氣機都是裝在一根軸上的，在工作時它的轉數(shù)也是相同的。如果各級壓氣機在工作的時候都有自已合理的工作轉數(shù)，振喘的問題也就解決了?？墒堑浆F(xiàn)在為止還沒有聽說什么國家在集中國力來研究十幾、二十幾轉子的渦扇發(fā)動機。　　在萬般的無耐之后人們能回到老路上來——放氣。放氣是一種最簡單但也最無可耐何的防振喘的方法。在很多現(xiàn)代化的發(fā)動上人們都保留的放氣活門以備不時之須。比如在波音－７４７的動力ＪＴ－９Ｄ上，普·惠公司就分別在十五級的高、低壓氣機中的第４、９、１５級上保留了三個放氣活門。　　◆燃燒室與渦輪　　渦扇發(fā)動機的燃燒室也就是我們上面所提到過的“燃氣發(fā)生器”。經(jīng)過壓氣機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)生高溫高壓燃氣來推動燃氣渦輪的運轉。在噴氣發(fā)動機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氣壓力大至相等?？墒羌仁故侨绱烁鞲骰鹧嫱仓畠鹊娜細鈮毫σ策€是不能完全相等，但各火焰筒內的微小燃氣壓力還不足以為患。但在各各火焰筒的出口處由于相鄰的兩個火焰筒所噴出的燃氣會發(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?；鹧嫱驳某隹跍囟葓龅臏囟炔町悤o渦輪前部的燃氣導向器帶來一定的損害，溫度高的部分會加速被燒蝕。比如在使用了八個火焰筒的環(huán)管燃燒室的ＪＴ－３Ｄ上，在火焰筒尾焰重疊處其燃氣導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)形燃燒室就沒有這樣的缺點。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火焰筒所組成，環(huán)形燃燒室的燃燒室是一個整體，因此環(huán)形燃燒室的出口燃氣場的溫度要比環(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。均勻的溫度場對直接承受高溫燃氣的燃氣導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)點還不止是這些。　　由于燃燒室中的溫度很高，所以無論環(huán)管燃燒室還是環(huán)形燃燒室都要進行一定的冷卻，以保證燃燒室能更穩(wěn)定的進行工作。單純的吹風冷卻早以不能適應極高的燃燒室溫度?，F(xiàn)在人們在燃燒室中最普便使用的冷卻方法是全氣膜冷卻，即在燃燒室內壁與燃燒室內部的高溫燃氣之間組織起一層由較冷空氣所形成的氣膜來保護燃燒室的內壁。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噴入一定量的冷空氣，所以燃燒室壁被作的很復雜，上面的開有成千上萬用真空電子束打出的冷卻氣孔。現(xiàn)在大家只要通過簡單的計算就可以得知，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、燃油油路設計等等與環(huán)管燃燒室相比也著優(yōu)勢。　　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)形燃燒室的強度問題。在環(huán)管燃燒室上使用的是單個體積較小的火焰筒，而環(huán)形燃燒室使用的是單個體積較大的圓環(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)形燃燒室的結構強度是一大難點。　　其次，由于燃燒室的工作整體環(huán)境很復雜，所以現(xiàn)在人們還不可能完全用計算的方法來發(fā)現(xiàn)、解決燃燒室所面臨的問題。要暴露和解決問題進行大量的實驗是唯一的方法。在環(huán)管燃燒室上，由于單個火焰筒的體積和在正常工作時所需要的空氣流量較少，人們可以進行單個的火焰筒實驗。而環(huán)形燃燒室是一個大直徑的整體，在工作時所需要的空氣流量也比較大，所以進行實驗有一定的難度。在五六十年代人們進行環(huán)行燃燒室的實驗時，由于沒有足夠的條件只能進行環(huán)形燃燒室部分扇面的實驗，這種實驗不可能得到燃燒室的整體數(shù)據(jù)。　　但由于科技的進步，環(huán)形燃燒室的機械強度與調試問題在現(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，在八十年代之后研發(fā)的新型渦扇發(fā)動機之上幾忽使用的都是環(huán)形燃燒室。　　為了更能說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)動機ＪＴ－３Ｄ與使用了環(huán)形燃燒室的第二代渦扇發(fā)動機ＪＴ－９Ｄ來作一個比較。兩種渦扇發(fā)動同為雙轉子前風扇無加力設計，不過推力差異比較大，ＪＴ－３Ｄ是８噸級推力的中推發(fā)動機，而ＪＴ－９Ｄ－５９Ａ的推力高達２４０４２公斤，但這樣的差異并不妨礙我們對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的直徑和長度分別為９６５毫米和６２７毫米，而ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ的直徑是１０２０．５毫米、長度是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個燃油噴嘴，而ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ的燃油噴嘴多達四十八個。燃燒效率ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ為０．９７而ＪＴ－９Ｄ－３Ａ比他要高兩個百分點。ＪＴ－３Ｄ－３Ｂ八個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構可以作到簡單、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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