渦扇發(fā)動機的工作原理及應用綜述

陳建軍

重慶市巴南職業(yè)教育中心 重慶市 401320

1 引言

渦輪發(fā)動機是一種常用的飛機發(fā)動機，其是利用旋轉(zhuǎn)的機件自穿過它得流體中汲取動能的發(fā)動機形式，屬于內(nèi)燃機的范疇。相較于其它發(fā)動機，渦輪發(fā)動機的優(yōu)勢在于能歐在不增加發(fā)動機排量的基礎上，極大的提升發(fā)動機的功率。此外，其還具備節(jié)省燃油、降低排放等優(yōu)點。但是由于其風扇直徑較大，其迎風面積也相對較大，因此受到的阻力也高于其它發(fā)動機。且這種發(fā)動機的結(jié)構(gòu)十分復雜，設計工作難度較高。因此探究渦扇發(fā)動機的工作原理和應用具有十分重要的積極意義。

2 渦扇發(fā)動機的發(fā)展背景和具體分類介紹

傳統(tǒng)飛機常用的發(fā)動機類型為活塞式發(fā)動機，當其飛行速度和音速接近的情況下，其飛行阻力會出現(xiàn)大幅度的提升，對此，人們對發(fā)動機的重量和尺寸進行了增加。其后隨著燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展應用，燃氣渦輪發(fā)動機不僅重量較低，且突破了音障的限制，因此其開始廣泛應用于各式飛機中，并且隨著應用的不斷深入，逐漸衍生出多種不同的類型，于是傳統(tǒng)的發(fā)動機形式因劣勢過于明顯逐漸被廢棄。經(jīng)過長期的發(fā)展，燃氣渦輪式發(fā)動機已經(jīng)具備多種類型，如渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機等。除了這些還存在其它多種類型，在此不一一列舉。

其中渦扇發(fā)動機是由渦輪螺旋槳發(fā)動機衍生發(fā)展而來的，同時其在結(jié)構(gòu)上則和渦輪噴氣式發(fā)動機存在類似之處。在對渦扇發(fā)動機進行分類時，存在多項分類標準，例如以涵道比的高低為分類標準，可以將其分成大涵道比渦扇發(fā)動機和小涵道比渦扇發(fā)動機。相較于傳統(tǒng)的發(fā)動機，渦扇發(fā)動機具有推力大、效率高、噪音低、油耗低，飛行航程遠等優(yōu)勢，但其同樣存在一定的缺陷，如風扇直徑較大、結(jié)構(gòu)復雜，設計難度高等。

3 渦扇發(fā)動機的組成結(jié)構(gòu)分析

一般情況下，渦扇發(fā)動機由進氣道、壓氣機、渦輪、風扇、燃燒室以及尾噴管等部件構(gòu)成，本文將選取小涵道比渦扇發(fā)動機為例，對渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)進行詳細介紹，下圖為小涵道比渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)圖。

3.1 進氣道

渦扇發(fā)動機的進氣道處于機體的最前端，連接著飛機進口和渦扇發(fā)動機，是空氣進入的唯一通道，其主要作用是將外部進入的空氣輸送給發(fā)動機。此外，飛機在高速飛行狀態(tài)下，進氣道還能夠?qū)M入的空氣進行減速增壓處理。通常情況下，可以將進氣道分成亞音速進氣道超音速進氣道兩種類型。二者可以通過外形上的差異進行區(qū)分，其中前緣為鈍圓形的是亞音進氣道，能夠起到集中進氣口氣流的作用。而前緣呈尖銳形的則是超音速進氣道。此外，可以對超音速進氣道進一步細分，包括外壓式、內(nèi)壓式和混壓式三種類型。

圖1 小涵道比渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

3.2 風扇

上文中提到，渦扇發(fā)動機是在渦輪螺旋槳發(fā)動機的基礎上衍生發(fā)展而來的，其風扇部件就是最顯著的體現(xiàn)。渦扇發(fā)動機的風扇是渦輪螺旋槳發(fā)動機的螺旋槳經(jīng)過直徑縮短、變形以及增加槳葉數(shù)量等改造操作之后得到的，同時使用機匣將所有的槳葉葉片容納起來。在渦扇發(fā)動機中，風扇的主要作用是對進入的空氣進行壓縮增壓，之后通過內(nèi)外涵道輸送到發(fā)動機后方。渦扇發(fā)動機的外函推力完全來自于風扇所產(chǎn)生的推力，因此風扇性能的優(yōu)劣很大程度上決定了渦扇發(fā)動機的性能。

3.3 壓氣機

在渦扇發(fā)動機中，壓氣機的主要作用是對流過的空氣進行增壓處理，其主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片完成這項處理，因此必須滿足振動強度和剛性的要求，且為了保障其正常運行，在設計階段，必須盡可能的擴大其穩(wěn)定工作范圍。以壓氣機的結(jié)構(gòu)形式和氣流流動特點為依據(jù)，可以將其分成離心式壓氣機、混合式壓氣機以及軸流式壓氣機三種類型。同時，根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同也可以對其進行分類，分別是低壓壓氣機、中壓壓氣機以及高壓壓氣機。

其中軸流式壓氣機主要包括轉(zhuǎn)子和靜子兩個部分，二者都是由多排葉片交錯排列構(gòu)成的，轉(zhuǎn)子和渦輪軸倆連接在一起，靜子則固定在外部的機匣上，二者通過相對運動對空氣進行壓縮，以此達到提升空氣壓力的效果。

當前階段，渦扇發(fā)動機的壓氣機普遍采用的是軸流式壓氣機，這種壓氣機具有體積小、流量大、單位效率高等眾多優(yōu)勢。但是在一些特殊情況下，離心式壓氣機也得到了一定的應用，雖然它的重量較高，且效率偏差，但這時人們看重的是離心壓氣機工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單以及單機增壓比高等特點。

3.4 燃燒室

渦扇發(fā)動機燃燒室的主要功能是將燃燒的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，燃料在燃燒的過程中會放出大量的熱能，對流經(jīng)的空氣進行加熱處理。為了保障燃燒室的穩(wěn)定運行，其必須滿足以下幾項條件：點火和啟動可靠；火焰穩(wěn)定；燃燒效率高；總壓損失小；排放污染低。燃燒室主要可以分成分管燃燒室、環(huán)管燃燒室以及環(huán)形燃燒室等幾種類型，它們之間的差異主要體現(xiàn)在火焰筒的排列和連接方式上。

燃燒室工作過程中所使用的空氣全部來自于渦扇發(fā)動機的壓氣機，是經(jīng)過壓氣機增壓處理之后的空氣。其中一小部分從火焰筒的頭部和上面小孔進入到燃燒室中，為燃料燃燒提供條件。其余部分則從火焰筒外的通道流過，起到降溫冷卻的效果。

3.5 渦輪

在渦扇發(fā)動機運行過程中，渦輪主要負責的是將燃燒室出口的高溫高壓燃氣熱焓轉(zhuǎn)化為機械功，因此渦輪必須具備在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定運行的能力，這一點在渦輪設計中必須給予充分考慮。經(jīng)過渦輪轉(zhuǎn)化為獲得的機械功能夠為壓氣機的運行提供動力。渦輪主要包括兩種分類體系，其一是以結(jié)構(gòu)形式和氣流流動特點為依據(jù)，分為軸流式和徑向式渦輪。其二則是根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同，分成低、中、高壓力渦輪。

3.6 尾噴管

尾噴管屬于渦扇發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，主要功能是將渦輪出口高溫燃氣的焓轉(zhuǎn)化為動能，從而產(chǎn)生強大的推力。在設計階段，必須滿足以下要求：流動損失小；燃氣膨脹完全；噴出氣流為軸向。在對尾噴管進行分類的過程中，存在兩種依據(jù)，其一為使用條件，據(jù)此可分為收斂型尾噴管和收擴型尾噴管。其二為排氣方向，可分為直流式尾噴管和推理矢量尾噴管。由于尾噴管的位置處于渦扇發(fā)動機的最末端，因此經(jīng)過風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪等部位的空氣只有經(jīng)過尾噴管排出才能形成推動飛機向前飛行的推力。

4 渦扇發(fā)動機的工作原理

4.1 主要性能參數(shù)

其一，涵道比。渦扇發(fā)動機的涵道比指的是其外涵道和內(nèi)涵道空氣流量的比值，涵道比的大小直接決定了其應用領(lǐng)域。例如涵道比較高的發(fā)動機廣泛應用于客機、運輸機等機型。而低涵道比發(fā)動機則廣泛應用于超音速飛行，如戰(zhàn)斗機型。

其二，推力。推力指的是渦扇發(fā)動機運行時產(chǎn)生的推動力，主要是由高壓氣體噴出形成的。

其三，單位燃油消耗率。渦扇發(fā)動機燃油質(zhì)量流量與發(fā)動機推力的比值即為單位燃油消耗率。

其四，效率。渦扇發(fā)動機的效率指標內(nèi)容廣泛，其中最主要的是熱效率，反映了燃油化學能的利用率，可用于渦扇發(fā)動機經(jīng)濟性優(yōu)劣的判斷。

4.2 渦扇發(fā)動機的工作原理

渦扇發(fā)動機運行過程中，空氣經(jīng)由發(fā)動機前端的進氣道進入到發(fā)動機中，首先由壓氣機進行壓縮處理，之后輸送到燃燒室通過和染料的混合燃燒形成高溫高壓氣體，之后通過渦輪將熱焓轉(zhuǎn)化為機械能，提供壓氣機旋轉(zhuǎn)的動力。最后，做功后的氣體和外涵道的氣體一起噴出，推動飛機前行。

5 結(jié)語

綜上所述，渦扇發(fā)動機是一種較為常用的飛機發(fā)動機，本文從其具體組成結(jié)構(gòu)切入，分別分析闡述了其渦輪、尾噴管、風扇等部件的功能、構(gòu)成以及具體分類，在此基礎上從整體角度護法，對渦輪發(fā)動機的性能參數(shù)和常見工作狀態(tài)進行了列舉闡述，希望能夠為渦輪發(fā)動機的合理應用以及改進升級提供一定得參考借鑒。