渦扇發動機動力強勁的祕訣是什麼?2個關鍵參數告訴你|陳光談航空30

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從渦輪噴氣發動機工作原理中我們得知,從渦輪流出來的、仍有一定能量的燃氣(反映在燃氣的溫度仍然較高,還有一定的壓強),在尾噴管中繼續膨脹,將熱能與勢能轉變成動能,以較高的速度(550~600米/秒)由尾噴管噴出產生反作用推力,這就是渦輪噴氣發動機。

如果在該渦輪後面,再加裝一套渦輪(一級或多級),讓燃氣在這後一渦輪中膨脹,驅動此渦輪高速旋轉並發出一定功率,將此渦輪的前軸由原來的渦輪、壓氣機轉子軸中穿過,帶動一個直徑比壓氣機大的風扇,這樣,就變成了渦輪風扇發動機(如圖5-1)。

圖5-1、渦輪風扇發動機簡圖

由圖5-1可以看出,由壓氣機、燃燒室和高壓渦輪組成的核心機和由低壓渦輪及其所帶動的風扇共同組成的發動機稱為渦輪風扇發動機。

渦輪風扇發動機中,空氣在風扇中增壓後,由風扇出口流出時分為二股向後流:一股流入核心機和帶動風扇的低壓渦輪,最後由尾噴管流出,這股氣流稱為內涵氣流;

另一股則由圍繞核心機機匣與外涵機匣間的環形通道中流過,稱為外涵氣流。由於渦輪風扇發動機中有內、外兩個涵道,所以,渦輪風扇發動機有時又稱為內外涵發動機。

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從圖5-2典型的渦輪風扇發動機的風扇、高壓壓氣機結構圖中可以看出,風扇實際上是直徑較大、葉片較長的軸流壓氣機。風扇可以有1~5級。

圖5-2、渦輪風扇發動機的風扇、高壓壓氣機結構

渦輪風扇發動機中,內、外涵氣流可分別排出,也可在排氣系統內混合排出。圖5-1所示的渦輪風扇發動機,外涵氣流通過摻混器進入內涵道燃氣流中,與內涵氣流混合後由尾噴管排出 。

圖5-3是典型的內、外涵分別排出的渦輪風扇發動機後部結構,由渦輪流出的燃氣直接由其後的內涵噴管排出,外涵氣流則由外涵道內、外殼體間的環形外涵道噴管流出,內外涵氣流在發動機內相互不摻合,這種排氣方式也稱為平行排氣。

圖5-3、平行排氣的排氣結構

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渦扇發動機兩個關鍵參數是什麼?

涵道比和總增壓比

外涵與內涵空氣流量之比稱為涵道比,又稱流量比,它是影響渦輪風扇發動機效能好壞的一個重要迴圈參數。涵道比小於2~3的稱為低涵道比渦輪風扇發動機,高於4~5的稱為高(大)涵道比渦輪風扇發動機。

高涵道比渦輪風扇發動機排氣速度低、推進效率高、經濟性好,適用於大型遠端旅客機和運輸機。其涵道比為4~9,增壓比為30~45,推力高達30000~45000拾牛,起飛耗油率降低到0.30公斤/拾牛·小時左右。

這種發動機的涵道比、增壓比和推力還有進一步增大的趨勢。

圖、航空發動機的外涵道和內涵道

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高涵道比渦輪風扇發動機的迎風面積大,不宜於作超聲速飛行,故一般戰鬥機用的加力渦輪風扇發動機的涵道比大多小於1.0,甚至0.3以下。只有要求在空中作較長時間巡邏的戰鬥機用發動機,其涵道比選為1.0左右。

流進渦輪風扇發動機的空氣先在風扇中增壓,然後再在高壓壓氣機中進—步增壓,因此渦輪風扇發動機有一個重要的迴圈參數,那就是“總增壓比”,簡稱“總壓比”,它相當渦輪噴氣發動機中的“增壓比”。

多轉子渦輪風扇發動機中最後一個壓氣機的出口總壓與第一個壓氣機(風扇)的進口總壓之比就是總增壓比,它也是渦輪風扇發動機的一個重要設計參數,對發動機的耗油率和單位推力都有顯著的影響。

目前加力渦扇發動機的壓氣機總增壓比為25~35,高涵道比渦輪風扇發動機的壓氣機總增壓比已高達35~45,未來高涵道比渦輪風扇發動機的壓氣機總增壓比可能要提高到50~100。

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