现代飞机动力系统-涡轮发动机工作原理与未来展望.docx

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气机压缩，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气机继续吸入空气,燃气涡轮机的操作过程基本就是这样循环着。同时涡轮也驱动着高速风扇带来更多的推动力。 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。风扇后接着是低压气机，然后是高压气机。无论是高压还是低压，压气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。新式的涡扇多是三轴的，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气机。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气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气机前的压力，并且把速度减低，让进入压气机前空气先被处理过，缩小压气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，更象压气机。双轴的战斗发动机则以几级的压气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桨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。以下为航空涡轮发动机介绍。 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 FJ44的“内脏” 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，主要目的是使各轴的速度与高低压压气机的气流速度相匹配。这高压机是离心式的，用在较小的发动机上。 现在很多发动机生产商都在发展双轴对转的发动机，目的是要减少飞机作机动飞行时作用于发动机机匣上的载荷，使机匣可以作得轻些；还可以省去低压涡轮导向器，使发动机零件数、长度、重量均减少。战机利用这种设计可以增加机头的指向能力。 这就是CF700。风扇在后头。与最后的一级涡轮安在同一条轴上 下图示很奇怪的涡桨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 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! 再看看普惠早期JT8D小涵道涡扇 涡桨是燃气涡轮驱动的螺旋桨机，我看过最多只有八片桨叶。涡扇却可以有几十片桨叶。涡扇都有一个大鼓圈着，经过桨叶后的压力比涡桨高。在那个鼓里的涵道通常横切面积往后扩张，以便把静压化为动压来推动飞行器。 TPE331 涡桨。前面乱七八糟的是变速箱。两级离心式压气机，三级轴向式涡轮。离心式压气机的好处是单级压比高，体积小。可是能承受的流量小。小发动机比较多都用离心式的，即足够供应空气流量，又能把发动机体积减至最小。 涡桨 TP400，给A400M运输机用的，一样有变速箱，但和TPE331不一样的地方是压气机。TP400有五级低压，六级高压，全都是轴向式。轴向式压气机的好处是大流量，但是单级压比低，所以需要多级合在一起来达到所需的压力。大发动机因为需要大流量，所以压气机都是轴向式的。 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 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，小涵道比设计，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）。 九级高压机，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。 GE 的F110，给F16用的。大同小异，小涵道涡扇。 F35的F136涡扇，前面的涡扇是垂直的 F22的F119涡扇 上面介绍的战机发动机的共同特点就是外涵道小，并加有后燃室（Afterburner） 涡轮喷射机，英文Turbojet也是一种燃气轮机，就是只有压气机，燃烧室和涡轮重要部分组成的发动机，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。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。 基本上当飞机速度超过1马赫时风扇的阻力就会开始增加，速度越高风扇横截面积就就必须越小，风扇的级数就需要越大以平衡所需的静压。当速度增加到2马赫左右时涡扇发动机的外函道就成了累赘（有了外函道发动机直径增大，飞行时横截面积大所以阻力就增大。 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 Olympus, 很经典的协和机用的发动机就是一部涡喷。 船用的燃气涡轮机就是一部涡轴。下面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。 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 涡扇发动机全称为涡轮风扇发动机（Turbofan）是飞机发动机的一种，由涡轮喷气发动机（Turbojet）发展而成。 与涡轮喷气比较，主要特点是首级压缩机的面积大很多，同时被用作为空气螺旋桨（扇），将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向後推。发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用，因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。概述涡轮风扇发动机 turbofan engine 涡扇引擎的旁通比（Bypass ratio，也称涵道比）是不经过燃烧室的空气质量，与通过燃烧室的空气质量的比例。旁通比为零的涡扇引擎即是涡轮喷气引擎。早期的涡扇引擎和现代战斗机使用的涡扇引擎旁通比都 涡轮风扇发动机原理图较低。例如世界上第一款涡扇引擎，劳斯莱斯的Conway，其旁通比只有0.3。现代多数民航机引擎的旁通比通常都在5以上。旁通比高的涡轮扇引擎耗油较少，但推力却与涡轮喷气引擎相当，且运转时还宁静得多。 由喷管排出燃气和风扇排出空气共同产生反作用推力的燃气涡轮发动机。涡轮风扇发动机由风扇、压气机、燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮和排气系统组成。其中压气机、燃烧室和高压涡轮三部分统称为核心机,由核心机排出的燃气中的可用能量,一部分传给低压涡轮用以驱动风扇，余下的部分在喷管中用于加速排出的燃气。风扇转子实际上是 1级或几级叶片较长的压气机，空气流过风扇后，一部分流入核心机称为内涵气流由喷管高速排出产生推力，另一部分围绕核心机的外围流过，称为外涵气流，也产生推力。这种有内外二个涵道的涡轮风扇发动机又称为内外涵发动机。流经外涵和内涵的空气流量之比称为涵道比或流量比。涵道比对涡轮风扇发动机性能影响较大,涵道比大,耗油率低，但发动机的迎风面积大；涵道比较小时，迎风面积小，但耗油率大。内外涵两股气流分开排入大气的称为分排式涡轮风扇发动机。内外涵两股气流在内涵涡轮后的混合器中相互渗混后通过同一喷管排入大气的，称为混排式涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机也可安装加力燃烧室，成为加力涡轮风扇发动机。在分排式涡轮风扇发动机上的加力燃烧室可以分别安装在内涵涡轮后或外涵通道内，在混排式涡轮风扇发动机上则可装在混合器后面。 核心机相同时，涡轮风扇发动机的工质(工作介质)流量介于涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机之间。涡轮风扇发动机比涡轮喷气发动机的工质流量大、喷射速度低、推进效率高、耗油率低、推力大。50年代发展的第一代涡轮风扇发动机，其涵道比、压气机增压比和燃气温度都较低，耗油率比涡轮喷气发动机仅低25左右，大约为 0.06 0.07公斤/牛时（0.60.7公斤/公斤力时）。60年代末、70年代初发展了高涵道比(58)、高增压比(2530)和高燃气温度 (16001750K)的第二代涡轮风扇发动机,耗油率降低到0.030.04公斤/牛时（0.30.4公斤/公斤力时）,推力则高达200250千牛（2000025000公斤力）。高涵道比涡轮风扇发动机的噪声低，排气污染小，多用作大型客机的动力装置，这种客机在11公里高度的巡航速度可达950公里/时。但这种高涵道比的涡轮风扇发动机的排气喷射速度低，迎风面积大，不宜用于超音速飞机上。 有些歼击机使用了小涵道比、带加力燃烧室的涡轮风扇发动机，在亚音速飞行时不使用加力燃烧室，耗油率和排气温度都比涡轮喷气发动机低，因而红外辐射强度较弱,不易被红外制导的导弹击中。使用加力作2倍以上音速的飞行时，产生的推力可超过加力涡轮喷气发动机，地面标准大气条件下的推重比已达8左右。 编辑本段分类涡喷发动机进气道进气-压气机增压-燃烧室加热-涡轮膨胀作功带动压气机-尾喷管膨胀加速-排气到体外 发动机转起来之后，压气机源源不断地把压缩了的空气送到后面的燃烧室 涡轮风扇发动机结构图，在燃烧室里空气和燃油混合燃烧，向后排出高温高速高压气体，这些气体带动涡轮旋转，涡轮和压气机是用轴连在一起的，因此涡轮旋转了，压气机也跟着旋转，就不断地把空气压缩进去了 涡轮风扇发动机分开排气涡轮风扇发动机 进气道进气-风扇增压-气流分为两股 内涵气流：压气机增压-燃烧室加热-涡轮膨胀作功带动风扇和压气机-内涵尾喷管膨胀加速-排气到体外 外涵气流：外涵道-外涵尾喷管膨胀加速-排气到体外 我们常见的民航客机所采用的发动机，多半是分别排气涡轮风扇发动机，比如著名的V2500，PW4000,GE90. 混合排气涡轮风扇发动机 进气道进气-风扇增压-气流分为两股 内涵气流：压气机增压-燃烧室加热-涡轮膨胀作功带动风扇和压气机-混合器 外涵气流：外涵道-混合器 两股气流在混合器中掺混-尾喷管膨胀加速-排气到体外 编辑本段为何实用涡轮风扇发动机要比涡轮喷气发动机更省油，尤其是超过音速不太多时。所以民用喷气飞机都是采用的涡轮风扇发动机。 我国民用分开排气涡轮风扇发动机还未研制成功，军用混合排气涡轮风扇发动机已成功批量生产的秦岭发动机相当于英国60年代的SPEY，用于飞豹上。相当于苏27上的AL31的太行前一段时间报道研制成功，但不知道是否投入批量生产。 提高涡轮风扇发动机推力的一个办法就是提高发动机的空气流量。 编辑本段由来历史在五十年代未、六十年代初，作为航空动力的涡喷发动机以经相当的成熟。当时的涡喷发动机的压气机总增压比以经可以达到14左右，而涡轮前的最高温度也以经达到了1000度的水平。在这样的条件下，涡喷发动机进行部分的能量输出以经有了可能。而当时对发动机的推力要求又是那样的迫切，人们很自然的想到了通过给涡喷发动机加装风扇以提高迎风面积增大空气流量进而提高发动机的推力。 当时人们通过计算发现，以当时的涡喷发动的技术水平，在涡喷发动机加装了风扇变成了涡扇发动机之后，其技术性能将有很大的提高。当涡扇发动机的风扇空飞流量与核心发动机的空气流量大至相当时（函道比1:1），发动机的地面起飞推力增大了面分之四十左右，而高空巡航时的耗油量却下降了百分之十五，发动机的效率得到了极大的提高。 这样的一种有着涡喷发动机无法比及的优点的新型航空动力理所当然的得到了西方各强国的极大重视。各国都投入了极大的人力、物力和热情来研究试制涡扇发动机，在涡扇发动机最 涡轮风扇发动机初研制的道路上英国人走在了美国人之前。英国的罗尔斯罗伊斯公司从一九四八年就开始就投入了相当的精力来研制他们的“康维”涡扇发动机。在一九五三年的时候“康维”进行了第一次的地面试车。又经过了六年的精雕细刻，一九五九年九月“康维MK-508”才最终定型。这个经过十一年孕妇的难产儿有着当时涡喷发动机难以望其项背的综合性能。“康维”采用了双转子前风扇的总体结构，函道比为0.3推重比为3.83地面台架最大推力为7945公斤，高空巡航推力为2905公斤，最大推力时的耗油量为0.735千克/小时/千克，压气机总增压比为14，风扇总增压比为1.90，而且英国人还在“康维”上首次采用了气冷的涡轮叶片。当康维最终定型了之后，英国人迫不及待的把他装在了VC-10上！ 美国人在涡扇发动机的研发上比英国人慢了一拍，但是其技术起点非常的高。美国人并没有走英国人从头研制的老路，美国的普惠公司利用自已在涡喷发动机上的丰富的技术储备，采用了以经非常成熟的J-57作为新涡扇发动的内函核心发动机。J-57是美国人从1947年就开始设计的一种涡喷发动机，1949年完成设计，1953年正式投产。J57在投产阶段共生产了21226台是世界上产量最大的三种涡喷发动机之一，先后装备了F-100、F-101、F-102、B-52等机种。J-57在技术上也有所突破，他是世界上第一台采用双转子结构的喷气发动机，由单转子到双转子是喷气发动机技术上的一大进步。不光是核心发动机，就连风扇普惠公司也都是采用的以经相当成熟的部件，以被撤消了型号的J91核动力喷气发动机的长叶片被普惠公司拿来当作新涡扇的风扇。一九六零年七月，普惠公司的JT3D涡扇发动机诞生了。JT3D的最终定型时间比罗罗的康维只晚了几个月，可是在性能上却是大大的提高。JT3D也是采用了双轴前风扇的设计，地面台架最大推力8165公斤，高空巡航推力2038公斤，最大推力耗油0.535千克/小时/千克，推重比4.22，函道比1.37，压气机总增压比13.55，风扇总增压比1.74（以上数据为JT3D-3B型发动机的数据）。JT3D的用处很广，波音707、DC-8用的都是JT3D。不光在民用，在军用方面JT3D也大显身手，B-52H、C-141A、E-3A用的都是JT-3D的军用型TF-33。 现今世界的三大航空动力巨子中的罗罗、普惠，都以先后推出了自已的第一代涡扇作品。而几乎是在同一时刻，三巨头中的令一个也推出了自已的第一代涡扇发动机。在罗罗推出“康维”之后第八个月、普惠推出JT-3D的前一个月。通用动力公司也定型了自已的第一代涡扇发动机CJ805-23。CJ805-23的地面台架最大推力为7169公斤，推重比为4.15，函道比为1.5，压气机增压比为13，风扇增压比为1.6，最大推力耗油0.558千克/小时/千克。与普惠一样，通用动力公司也是在现有的涡喷发动机的基础之上研发自已的涡扇发动机，被用作新涡扇的内函核心发动机的是J79。J-79与1952年开始设计，与1956年投产，共生产了16500多台，他与J-57一样也是有史以来产量最高的三种涡喷发动机之一。与J57的双转子结构不不同，J79是单转子结构。在J-79上首次采用了压气机可调整流叶片和加力全程可调喷管，J-79也是首次可用于两倍音速飞行的航空发动机。 通用动力公司的CJ805-23涡扇发动机是涡扇发动机的中一个决对另类的产品，让CJ805-23如此与众不同的地方就在于他的风扇位置。他是唯一采用后风扇设计的涡扇发动机。 在五六十年代，人们在设计第一代涡扇发动机的时候遇到了很大的困难。首先是由于大直径的风扇与相对小直径的低压压气机联动以后风扇叶片的翼尖部分的线速度超过了音速，这个问题在当时很难解决，因为没有可利用的公式来进行运算人们只能用一次又一次的试验来发现、解决问题。第二是由于在压气机之前多了风扇使得压气机的工作被风扇所干拢。第三是细长的风扇叶片高速转动所引起的振动。 而通用动力公司的后风扇设计一下子完全避开了这三个最主要的困难。CJ805-23的后风扇实际上是一个双节的叶片，叶片的下半部分是涡轮叶片，上半部分是风扇叶片。这样的一个叶片就像涡轴发动的自由涡轮一样被放在内函核心发动机的尾部。叶片与核心发动机的转子没有丝毫的机械联系，这样人们就可以随心所欲的来设计风扇的转速，而且叶片的后置也不会对压气机产生不良影响。但在回避困难的同时也引发了新的问题。 首先是叶片的受热不匀，CJ805-23的后风扇叶片的涡轮部分在工作时的最高温度达到了560度，而风扇部分的最低温度只有38度。其次，由于后风扇不像前风扇那样工作在发动机的冷端，而是工作在发动机的热端，这样一来风扇的可*性也随之下降，而飞机对其动力的要求最重要的一条就是万无一失。而且风扇后置的设计使得发动机的由于形状上的原因其飞行阻力也要大于风扇前置的发动机。 当“康维”、JT-3D、CJ805-23这些涡扇发动机纷纷定型下线的时候，人们也在不断的反思在涡扇发动机研制过程。人们发现，如果一台涡扇发动机如果真的像“康维”那样从一张白纸上开始试制则最少要用十年左右的时间新发动机才能定型投产。而如果像JT-3D或CJ805-23那样利用以有的一台涡喷发动机作为内函发动机来研制涡扇发动机的话，因为发动机在技术上最难解决的部分都以得到了解决，所以无论从时间上还是金钱、人力、物力上都要节省很多。在这样的背景之下，为了缩短新涡扇的研制时间、减少开发费用。美国政府在还末对未来的航空动力有十分明确的要求的情况下，从一九五九年起开始执行“先进涡轮燃气发生器计划”，这个计划的目地就是要利用最最新的科研成果来试制一种燃气核心机，并进行地面试车，以暴露解决各部分的问题。在这个燃气核心机的其础之上进行放大或缩小，再加装其它的部件，如压气机、风扇等等就可以组装成不同类型的航空涡轮发动机。如涡扇、涡喷、涡轴、涡桨等等。“先进涡轮燃气发生器计划”实际上是一个有相当前瞻意味的预研工程。 用今天的眼光来看，这个工程的指导方向无疑是正确的。美国的政府实际上是在激励本国的两大动力公司向航空动力系统中最难的部分开刀。因为在燃气涡轮发动机中最最严重的技术难点就产生在这个以燃气发生器和燃气涡轮为主体的燃气核心机上。在每一台以高温燃气来驱动燃气涡轮为动力的发动机上，由燃气发生器和燃气涡轮所组成的燃气核心机的工作地点将是这台发动的最高温度、最大压力的所在地。所以其承受的应力也就最大，工作条件也最为苛刻。但燃气核心机的困难不只是压力和温度，高转数所带来的巨大的离心力、飞机在加速时的巨大冲击，如果是战斗机还要考虑到当飞机进行机动时所产生的过载和因过载以引起的零部件变形。在为数众多的困难中单拿出无论哪一个都将是一个工程上的巨大难题。但如果这些问题不被解决掉那么更先进的喷气发动机也就无从谈起。 在这个计划之下，普惠公司与通用动力公司都很快的推出了各自研发的燃气核心机。普惠公司的核心机被称作STF-200而通用动力公司的燃气核心机为GE-1。时至今日美国人在四十年前发起的这场预研还在发挥着他的作用，现如今普惠公司和通用动力公司出品的各式航空发动机如果真的都求其根源都话，它们却都是来自于STF-200与GE-1这两个老祖宗。 单转子和多转子在研制一台新的涡扇发动机的时候，最先解决的问题是他的总体结构问题。总体结构的问题说明白一些就是发动机的转子数目多少。目前涡扇发动机所采用的总体结构无非是三种，一是单转子、二是双子、三是三转子。其中单转子的结构最为简单，整个发动机只有一根轴，风扇、压气机、涡轮全都在这一根轴上。结构简单的好处也不言自明-省钱！一方面的节省就总要在另一方而复出相应的代价。 首先从理论上来说单转子结构的涡扇发动机的压气机可以作成任意多的级数以期达到一定的增压比。可是因为单转子的结构限制使其风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮必须都安装在同一根主轴之上，这样在工作时他们就必须要保持相同的转速。问题也就相对而出，当单转子的发动机在工作时其转数突然下降时（比如猛收小油门），压气机的高压部分就会因为得不到足够的转数而效率严重下降，在高压部分的效率下降的同时，压气机低压部分的载荷就会急剧上升，当低压压气机部分超载运行时就会引起发动机的振喘，而在正常的飞行当中，发动机的振喘是决对不被允许的，因为在正常的飞行中发动机一但发生振喘飞机十有八九就会掉下来。为了解决低压部分在工作中的过载只好在压气机前加装导流叶片和在压气机的中间级上进行放气，即空放掉一部分以经被增压的空气来减少压气机低压部分的载荷。但这样以来发动机的效率就会大打折扣，而且这种放掉增压气的作法在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显。更要命的问题发生在风扇上，由于风扇必须和压气机同步，受压气机的高转数所限单转子涡扇发动机只能选用比较小的函道比。比如在幻影-2000上用的M-53单转子涡扇发动机，其函道只有0.3。相应的发动机的推重比也比较小，只有5.8。 为了提高压气机的工作效率和减少发动机在工作中的振喘，人们想到了用双转子来解决问题，即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下。这样低压压气机与低压涡轮联动形成了低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成了高压转子。低压转子的转速可以相对低一些。因为压缩作用在压气机内的空气温度升高，而音速是随着空气温度的升高而升高的，所以而高压转子的转速可以设计的相对高一些。即然转速提高了，高压转子的直径就可以作的小一些，这样在双转子的喷气发动机上就形成了一个“蜂腰”，而发动机的一些附属设备比如燃油调节器、起动装置等等就可以很便的装在这个“蜂腰”的位置上，以减少发动机的迎风面积降低飞行阻力。双转子发动机的好处不光这些，由于一般来说双转子发动机的的高压转子的重量比较轻，起动惯性小，所以人们在设计双转子发动机的时候都只把高压转子设计成用启动机来驱动，这样和单转子发动机相比双转子的启动也比较容易，启动的能量也要求较小，启动设备的重量也就相对降低。 然而双转子结构的涡扇发动机也并不是完美的。在双转子结构的涡扇发动机上，由于风扇要和低压压气机联动，风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。 为了解压气机和风扇转数上的矛盾。人们很自然的想到了三转子结构，所谓三转子就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。三个转子之间没有相对固定的机械联接。如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转。设计师们就可以相对自由的来设计发动机风扇转速、风扇直径以及函道比。而低压压气机的转速也可以不受风扇的肘制，低压压气机的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。 但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子，因而所需要的轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难。三转子发动机比双转子发动机多了很多工程上的难题，可是英国的罗罗公司还是对他情有独钟，因为在表面的困难背后还有着巨大的好处，罗罗公司的RB-211上用的就是三转子结构。转子数量上的增加换来了风扇、压气机、涡轮的简化。 三转子RB-211与同一技术时期推力同级的双转子的JT-9D相比：JT-9D的风扇页片有46片，而RB-211只有33片；压气机、涡轮的总级数JT-9D有22级，而RB-211只有19级；压气机叶片JT-9D有1486片，RB-211只有826片；涡轮转子叶片RB211也要比JT9D少，前者是522片，而后者多达708片；但从支撑轴承上看，RB-211有八个轴承支撑点，而JT9D只有四个。 风扇涡扇发动机的外函推力完全来自于风扇所产生的推力，风扇的的好坏直接的影响到发动机的性能，这一点在高函道比的涡扇发动机上由是。涡扇发动机的风扇发展也经历了几个过程。在涡扇发动机之初，由于受内函核心机功率和风扇材料的机械强度的限制，涡扇发动机的函道比不可能作的很大，比如在涡扇发动机的三鼻祖中，其函道比最大的CJ805-23也不过只有1.5而以，而且CJ805-23所采用的风扇还是后独一无二的后风扇。 在前风扇设计的二款发动机中JT3D的函道比大一些达到了1.37。达到如此的函道比，其空气总流量比也比其原型J-57的空气流量大了271%。空气流量的加大发动机的迎风面积也随之变大。风扇的叶片也要作的很长。JT3D的一级风扇的叶片长度为418.2毫米。而J57上的最长的压气机叶片也就大约有二百毫米左右。当风扇叶片变的细长之后，其弯曲、扭转应力加大，在工作中振动的问题也突现了出来。为了解决细长的风扇叶片所带来的麻烦，普惠公司采用了阻尼凸台的方法来减少风扇叶片所带来的振动。凸台位于距风扇叶片根处大约百分之六十五的地方。JT3D发动机的风扇部分装配完成之后，其风扇叶上的凸台就会在叶片上连成一个环形的箍。当风扇叶片运转时，凸台与凸台之间就会产生摩擦阻尼以减少叶片的振动。加装阻尼凸台之后其减振效果是明显的，但其阻尼凸台的缺点也是明显的。首先他增加了叶片的重量，其次他降底了风扇叶片的效率。而且如果设计不当的话当空气高速的流过这个凸台时会发生畸变，气流的畸变会引发叶片产生更大的振动。而且如果采用这种方法由于叶片的质量变大，在发动机运转时风扇本身会产生更大的离心力。这样的风扇叶片很难作的更长，没有更长的叶片也就不会有更高的函道比。而且细长的风扇叶片的机械强度也很低，在飞机起飞着陆过程中，发动机一但吸入了外来物，比如飞鸟之类，风扇的叶片会更容易被损坏，在高速转动中折断的风扇叶片会像子弹一样打穿外函机匣酿成大祸。解决风扇难题一个比较完美的办法是加大风扇叶片的宽度和厚度。这样叶片就可以获得更大的强度以减少振动和外来物打击的损害，而且如果振动被减少到一定程度的话阻尼凸台也可以取消。但更厚重的扇叶其运转时的离心力也将是巨大的。这样就必需要加强扇叶和根部和安装扇叶的轮盘。但航空发动机负不起这样的重量代价。风扇叶片的难题大大的限制了涡扇发动机的发展。 更高的转数、高大的机械强度、更长的叶片、更轻的重量这样的一个多难的问题最终在八十年代初得到了解决。 1984年10月，RB211-535E4挂在波音七五七的翼下投入了使用。它是一台有着跨时代意义的涡扇发动机。让它身负如此之名的就是他的风扇。罗罗公司用了创造性的方法解决了困扰大函道比涡扇发动机风扇的多难问题。新型发动机的风扇叶片叫作“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片”。故名思意，新型风扇的叶片采用了宽弦的形状来加大机械强度和空心结构以减少重量。新型的空心叶片分成三个部分：叶盆、叶背、和叶芯。它的叶盆和叶背分别是由两块钛合金薄板制成，在两块薄板之间是同样用钛合金作成的蜂窝状结构的“芯”。通过活性扩散焊接的方法将叶盆、叶背、叶芯连成一体。新叶片以极轻的重量获得了极大的强度。这样的一块钛合金三明治一下子解决了困扰航空动力工业几十年的大难题。 新型风扇不光是重量轻、强度大，而且因为他取消了传统细长叶片上的阻尼凸台他的工作效率也要更高一些。风扇扇叶的数量也减少了将近三分之一，RB211-535E4发动机的风扇扇叶只有二十四片。 1991年7月15日新型宽弦叶片经受了一次重大的考验。印度航空公司的一架A320在起飞阶段其装备了宽弦叶片的V-2500涡扇发动机吸入了一只5.44千克重的印度秃鹫！巨鸟以差不多三百公里的时速迎头撞到了发动机的最前端部件-风扇上！可是发动机在遭到如此重创之后仍在正常工作，飞机安全的降落了。在降落之后，人们发现V-2500的22片宽弦风扇中只有6片被巨大的冲击力打变了形，没有一片叶片发生折断。发动机只在外场进行了更换叶片之后就又重新投入了使用。这次意外的撞击证明了“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片”的巨大成功。 解决宽弦风扇的问题并不是只有空心结构这一招。实际上，当风扇的直径进一步加大时，空心结构的风扇扇叶也会超重。比如在波音777上使用的GE-90涡扇发动机，其风扇的直径高达3.142米。即使是空心蜂窝结构的钛合金叶片也会力不从心。于是通用动力公司便使用先进的增强环氧树脂碳纤维复合材料来制造巨型的风扇扇叶。碳纤维复合材料所制成的风扇扇叶结构重量极轻，而强度却是极大。可是在当复合材料制成的风扇在运转时遭到特大鸟的撞击会发生脱层现像。为了进一步的增大GE-90的安全系数，通用动力公司又在风扇的前缘上包覆了一层钛合金的蒙皮，在其后缘上又用“凯夫拉”进行缝合加固。如此以来GE-90的风扇可谓万无一失。 当高函道比涡扇发动机的风扇从传统的细长窄弦叶片向宽弦叶片过渡的时候，风扇的级数也经历了一场从多级风扇到单级风扇的过渡。在涡扇发动机诞生之初，由于风扇的单级增压比比较低只能采用多级串联的方式来提高风扇的总增压比。比如JT3D的风扇就为两级，其平均单级增压比为1.32，通过两级串联其风扇总增压比达到了1.74。多级风扇与单级风扇相比几乎没有优点，它重量大、效率低，其实它是在涡扇发动机的技主还不十分成熟的时候一种无耐的选择。随着风扇单级增压比的一步步提高，现如今在中、高函道比的涡扇发动机上单级风扇以是一统天下。比如在GE-90上使用的单级风扇其增压比高达1.65，如此之高的单级增压比以经再没有必要来串接第二级风扇。 但是在战斗机上使用的低函道比涡扇发动机还在使用着多级风级的结构。比如在F-15A上使用的F100-PW-100涡扇发动机就是由三级构成，其总增压比达到了2.95。低函道涡扇发动机取如此高的风扇增压比其实是风扇、低压压气机合二为一结果。在战斗机上使用的低函道比涡扇发动机为了减少重量它的双转子其实是由风扇转子和压气机转子组成的双转子结构。受战斗机的机内容积所限，采用大空气流量的高函道比涡扇发动机是不现实的，但为了提高推力只能提发动机的出口压力，再者风扇不光要提供全部的外函推力而且还要部分的承担压气机的任务，所以风扇只能采用比较高的增压比。 其实低函道比的涡扇发动机彩用多级风扇也是一种无耐之举，如果风扇的单级增压比能达到3左右多级风扇的结构就将不会再出现。如果想要风扇的单级增压比达到3一级只能是进一步提高风扇的的转速并在风扇的叶型上作文章，风扇的叶片除了要使用宽弦叶片之外叶片还要带有一定的后掠角度以克服风扇在高速旋转时所产生的激波，只有这样3一级的单级风扇增压比才可能会实现。相现这一点人们将会在二十年之内作到. 压气机压气机故名思意，就是用来压缩空气的一种机械。在喷气发动机上所使用的压气机按其结构和工作原理可以分为两大类，一类是离心式压气机，一类是轴流式压气机。离必式压气机的外形就像是一个钝角的扁圆锥体。在这个圆锥体上有数条螺旋形的叶片，当压气机的圆盘运转时，空气就会被螺旋形的叶片“抓住”，在高速旋转所带来的巨大离心力之下，空气就会被甩进压气机圆盘与压气机机匣之间的空隙，从而实现空气的增压。与离心式压气机不同，轴流式压气机是由多级风扇所构成的，其每一级都会产生一定的增压比，各级风扇的增压比相乘就是压气机的总增压比。 在现代涡扇发动机上的压气机大多是轴流式压气机，轴流式压气机有着体积小、流量大、单位效率高的优点，但在一些场合之下离心式压气机也还有用武之地，离心式压气机虽然效率比较差，而且重量大，但离心式压气机的工作比较稳定、结构简单而且单级增压比也比轴流式压气机要高数倍。比如在我国台湾的IDF上用的双转子结构的TFE1042-70涡扇发动机上，其高压压气机就采用了四级轴流式与一级离心式的组合式压气机以减少压气机的级数。多说一句，这样的组合式压气机在涡扇发动机上用的不多，但在直升机上所使用的涡轴发动机现在一般都为几级轴流式加一级离心式的组合结构。比如国产的涡轴6、 涡轴8发动机就是1级轴流式加1级离心式构成的组合压气机。而美国的“黑鹰”直升机上的T700发动机其压气机为5级轴流式加上1级离心式。 压气机是涡扇发动机上比较核心的一个部件。在涡扇发动机上采用双转子结构很大程度上就是为了迎合压气机的需要。压气机的效率高低直接的影响了发动机的工作效率。目前人们的目标是提高压气机的单级增压比。比如在J-79上用的压气机风扇有17级之多，平均单级增压比为1.16，这样17级叶片的总增压比大约为12.5左右，而用在波音777上的GE-90的压气机的平均单级增压比以提高到了1.36，这样只要十级增压叶片总增压比就可以达到23左右。而F-22的动力F-119发动机的压气机更是了的，3级风扇和6级高压压气机的总增压比就达到了25左右，平均单级增压比为1.43。平均单级增压比的提高对减少压气机的级数、减少发动机的总量、缩短发动机的总长度是大有好处的。 但随着压气机的增压比越来越高，压气机振喘和压气机防热的问题也就突现了出来。 在压气机中，空气在得到增压的同时，其温度也在上升。比如当飞机在地面起飞压气机的增压比达到25左右时，压气机的出口温度就会超过500度。而在战斗机所用的低函道比涡扇发动机中，在中低空飞行中由于冲压作用，其温度还会提高。而当压气机的总增压比达到30左右时，压气机的出口温度会达到600度左右。如此高的温度会钛合金以是难当重任，只能由耐高温的镍基合金取而代之，可是镍基合金与钛合金相比基重量太大。与是人们又开发了新型的耐高温钛合金。在波音747的动力之一罗罗公司的遄达800与EF2000的动力EJ200上就使用了全钛合金压气机。其转子重量要比使用镍基合金减重30%左右。 与压气机防热的问题相比压气机振喘的问题要难办一些。振喘是发动机的一种不正常的工作状态，他是由压气机内的空气流量、流速、压力的空然变化而引发的。比如在当飞机进行加速、减速时，当飞发动机吞水、吞冰时，或当战斗机在突然以大攻飞行拉起进气道受到屏蔽进气量骤减时。都极有可能引起发动机的振喘。 在涡扇喷气发动机之初，人们就采用了在各级压气机前和风扇前加装整流叶片的方法来减少上一级压气机因绞动空气所带给下一级压气机的不利影响，以克制振喘现像的发生。而且在J-79涡喷发动机上人们还首次实现了整流叶片的可调整。可调整的整流叶片可以让发动机在更加宽广的飞行包线内正常工作。可是随着风扇、压气机的增压比一步一步的提高光是采用整流叶片的方法以是行不通了。对于风扇人们使用了宽弦风扇解决了在更广的工作范围内稳定工作的问题，而且采用了宽弦风扇之后即使去掉风扇前的整流叶片风扇也会稳定的工作。比如在F-15上的F100-PW-100其风扇前就采用了整流叶片，而F-22的F-119就由于采用了三级宽弦风扇所以风扇前也就没有了整流叶片，这样发动机的重量得以减轻，而且由于风扇前少了一层屏蔽其效率也就自然而然的提高了。风扇的问题解决了可是压气的问题还在，而且似乎比风扇的问题材更难办。因为多级的压气机都是装在一根轴上的，在工作时它的转数也是相同的。如果各级压气机在工作的时候都有自已合理的工作转数，振喘的问题也就解决了。可是到现在为止还没有听说什么国家在集中国力来研究十几、二十几转子的涡扇发动机。 在万般的无耐之后人们能回到老路上来-放气！放气是一种最简单但也最无可耐何的防振喘的方法。在很多现代化的发动上人们都保留的放气活门以备不时之须。比如在波音747的动力JT9D上，普惠公司就分别在十五级的高、低压气机中的第4、9、15级上保留了三个放气活门 。 燃烧室与涡轮涡扇发动机的燃烧室也就是我们上面所提到过的“燃气发生器”。经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧以产生高温高压燃气来推动燃气涡轮的运转。在喷气发动机上最常用的燃烧室有两种，一种叫作环管形燃烧室，一种叫作环形燃烧室。 环管燃烧室是由数个火焰筒围成一圈所组成，在火焰筒与火焰筒之间有传焰管相连以保证各火焰筒的出口燃气压力大至相等。可是既使是如此各各火焰筒之内的燃气压力也还是不能完全相等，但各火焰筒内的微小燃气压力还不足以为患。但在各各火焰筒的出口处由于相邻的两个火焰筒所喷出的燃气会发生重叠，所以在各火焰筒的出口相邻处的温度要比别处的温度高。火焰筒的出口温度场的温度差异会给涡轮前部的燃气导向器带来一定的损害，温度高的部分会加速被烧蚀。比如在使用了8个火焰筒的环管燃烧室的JT3D上，在火焰筒尾焰重叠处其燃气导流叶片的寿命只有正常叶片的三分之一。 与环管式燃烧室相比，环形燃烧室就没有这样的缺点。故名思意，与管环燃烧室不同，环形燃烧室的形状就像是一个同心圆，压缩空气与燃油在圆环中组织燃烧。由于环形燃烧室不像环管燃烧室那样是由多个火焰筒所组成，环形燃烧室的燃烧室是一个整体，因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管形燃烧室的温度均匀，而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也要比环管燃烧室的要少一些。均匀的温度场对直接承受高温燃气的燃气导流叶片的整体寿命是有好处的。 与环管燃烧室相比，环形燃烧室的优点还不止是这些。 由于燃烧室中的温度很高，所以无论环管燃烧室还是环形燃烧室都要进行一定的冷却，以保证燃烧室能更稳定的进行工作。单纯的吹风冷却早以不能适应极高的燃烧室温度。现在人们在燃烧室中最普便使用的冷却方法是全气膜冷却，即在燃烧室内壁与燃烧室内部的高温燃气之间组织起一层由较冷空气所形成的气膜来保护燃烧室的内壁。由于要形成气膜，所以就要从燃烧室壁上的孔隙中向燃烧室内喷入一定量的冷空气，所以燃烧室壁被作的很复杂，上面的开有成千上万用真空电子束打出的冷却气孔。现在大家只要通过简单的计算就可以得知，在有着相同的燃烧室容积的情况下，环形燃烧室的受热面积要比环管燃烧室的受热面积小的多。因此环形燃烧的冷却要比环管形燃烧室的冷却容易的多。在除了冷却比较容易之处，环形燃烧室的体积、重量、燃油油路设计等等与环管燃烧室相比也着优势。 但与环管燃烧室相比，环形燃烧室也有着一些不足，但这些不足不是性能上的而是制作工艺上。 首先，是环形燃烧室的强度问题。在环管燃烧室上使用的是单个体积较小的火焰筒，而环形燃烧室使用的是单个体积较大的圆环形燃烧室。随着承受高温、高压的燃烧室的直径的增大，环形燃烧室的结构强度是一大难点。 其次，由于燃烧室的工作整体环境很复杂，所以现在人们还不可能完全用计算的方法来发现、解决燃烧室所面临的问题。要暴露和解决问题进行大量的实验是唯一的方法。在环管燃烧室上，由于单个火焰筒的体积和在正常工作时所需要的空气流量较少，人们可以进行单个的火焰筒实验。而环形燃烧室是一个大直径的整体，在工作时所需要的空气流量也比较大，所以进行实验有一定的难度。在五六十年代人们进行环行燃烧室的实验时，由于没有足够的条件只能进行环形燃烧室部分扇面的实验，这种实验不可能得到燃烧室的整体数据。 但由于科技的进步，环形燃烧室的机械强度与调试问题在现如今都以经得到了比较圆满的解决。由于环形燃烧室固有的优点，在八十年代之后研发的新型涡扇发动机之上几忽使用的都是环形燃烧室。 为了更能说明两种不同的燃烧室的性能差异，现在我们就以同为普惠公司所出品的使用环管形燃烧室的第一代涡扇发动机JT3D与使用了环形燃烧室的第二代涡扇发动机JT9D来作一个比较。两种涡扇发动同为双转子前风扇无加力设计，不过推力差异比较大，JT3D是8吨级推力的中推发动机，而JT9D-59A的推力高达24042公斤，但这样的差异并不妨碍我们对它们的燃烧室作性能上的比较。首先是两种燃烧室的几何形状，JT9D-3A的直径和长度分别为965毫米和627毫米，而JT3D-3B的直径是1020.5毫米、长度是1070毫米。很明显，JT9D的环形燃烧室要比JT-3D的环管燃烧室的体积小。JT9D-3A只有20个燃油喷嘴，而JT3D-3B的燃油喷嘴多达48个。燃烧效率JT3D-3B为0.97而JT9D-3A比他要高两个百分点。JT3D-3B八个火焰筒的总表面积为3.579平方米，而JT9D-3A的火焰筒表面积只有2.282平方米，火焰筒表面积的缩小使得火焰筒的冷却结构可以作到简单、高效，因此JT9D的火焰筒壁温度得以下降。JT3D-3B的火焰筒壁温度为700-900度左右，而JT9D-3A的火焰筒壁温度只有600到850度左右。JT9D的火焰筒壁温度没有JT3D-3B的高，可是JT9D-3A的燃烧室出口温度却高达11