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- 1、涡扇发动机工作原理（漫谈涡扇发动机涵道比）
- 2、飞机的动力来源-涡扇发动机的工作原理
1、涡扇发动机工作原理（漫谈涡扇发动机涵道比）
涡扇发动机工作原理(谈涡扇发动机涵道比)
20世纪60年代，涡扇发动机问世并迅速取代涡喷发动机，成为军用和民用飞机的主流发动机。
随着涡扇发动机的普及，涵道比成为了一个热词。
1.涡扇发动机的涵道比是多少？
涡扇发动机示意图
涡扇发动机按气流通道可分为内涵道和外涵道。内涵道是涡喷发动机，也称核心机，外涵道包括风扇和外涵道。
发动机工作时，空气分别流入内外导管，在发动机喷嘴处汇合，最后排入大气。
涵道比是涡扇发动机工作时，外涵道与内涵道的空气流之比。
2.涵道比对发动机性能有什么影响？
与涡喷发动机相比，在核心发动机参数相同的情况下，内流道的工况与涡喷发动机完全相同。增加了旁通，发动机的总空空气流量增加，总推力增加。同时，在外旁通中，只有风扇对空气体做功，流速较慢，温度较低，而内旁通排出的是高温高速气体。内外旁路中的气流混合后，混合气流的平均温度和平均速度降低，从而降低了气体的能量损失和气动噪声。在核心发动机参数相同的情况下，涡扇发动机比涡喷发动机具有更高的推力、更好的经济性和更低的噪声。
不难想象，涵道比越大，即外涵道的空风量越大，涡扇发动机的优势就会越明显。但同时也带来了一个问题，就是随着外旁通空空气流量的增加，其迎风面积也随之增加，发动机阻力也随之增加。综合平衡，高涵比发动机适用于对经济性敏感的亚音速民航客机和运输机，低涵道比发动机适用于对推力特性敏感的超音速战斗机。
波音787的涵道比大于10。
F-22战斗机的发动机涵道比小于1
3.可变涵道比发动机的研发有哪些进展？
归根结底，发动机的涵道比与内外涵道的流通面积有关。目前大多数涡扇发动机的涵道比是固定的。
既然大涵道比发动机有更好的经济性，小涵道比发动机有更好的推力特性，那么一个很自然的想法就是能否研制出一种既适合高速飞行又适合低速飞行的发动机。这是自适应可变循环发动机的最初想法。
20世纪70年代，美国率先提出了变循环发动机的概念，并在该领域始终保持领先地位。
变循环发动机的基本思想是通过改变某些部件的几何形状、尺寸或位置来调整其热力循环参数(如压比、涡轮进口温度、空空气流量和涵道比)，改变发动机循环工作模式(高推力或低油耗)，使发动机在各种飞行状态下都能以最佳状态工作。相应地，变循环发动机可以在多种模式下工作(包括涡轮模式、涡扇模式和冲压模式)，因此在亚音速、跨音速、超音速和高超音速飞行条件下具有良好的性能。难点在于aero 空发动机工作在高温高压高速下，涡轮等零件往往接近材料的使用极限和工序的加工极限。在如此极端恶劣的条件下，稍有差池就会影响发动机的稳定工作甚至安全。
目前，变循环发动机的研究已经进入第五代。近日，美国GE公司宣布，计划用于下一代战斗机的XA100-GE-100自适应循环发动机已于2021年5月13日完成高空台架试验，结果符合预期。
据介绍，XA100发动机采用三涵道设计，通过调节第三涵道来改变涵道比，实现发动机模式切换。超音速巡航时，降低涵道比，增加推力，进入“涡喷”(高推力)模式。亚音速巡航时，增加涵道比，降低油耗和噪音，进入“涡扇”(高效率)模式。此外，当工作环境发生变化时，还可以自适应调整涵道比。
美国GE公司的XA100自适应变循环发动机
4.可变涵道比发动机的理想状态是怎样的？
目前，通过改变旁通比来实现变循环是比较现实的方法。
涵道比的概念是在涡扇发动机问世后确立的。回想起来，涡扇发动机具有普遍意义，涡喷发动机和涡桨发动机可视为涡扇发动机的特例。
涡轮喷气发动机示意图
涡喷发动机可视为涵道比等于零的涡扇发动机的特例。涵道比等于零，即外涵道空空气流量为零，进入发动机的空空气全部进入内涵道。这时，涡扇发动机在工作原理上就变成了涡喷发动机。
涡轮螺旋桨发动机示意图
当涡扇发动机的涵道比趋于无穷大时，涡扇发动机可以看作一个特例。当涵道比趋于无穷大时，表示保留风扇，去掉外涵道机匣(外涵道机匣趋于无穷大)。此时涡扇发动机原则上改造成涡桨发动机。
三者相比，涡桨发动机经济性最好，涡喷发动机推力特性最好，涡扇发动机居中。如果涡扇发动机的涵道比可以从零调节到无穷大，那么涡扇发动机可以比目前的自适应变循环发动机具有更好的综合性能。当然，这只是理论上的趋势分析，实现起来比现在的自适应变循环发动机要困难得多。
一个理想就是树立一个大目标，激励人们不断前进。杭空人们已经习惯了在山河中看到美好的未来。我们会尽力的！
2、飞机的动力来源-涡扇发动机的工作原理
众所周知，航空发动机作为现今飞机的动力源泉，而航空发动机只不过是一个概称。涡扇发动机和涡喷发动机，都隶属于航空发动机的范畴。
只不过，在今天涡扇发动机的应用范围要比涡喷发动机广泛的多。
所以，各主要航空强国，都在倾尽全力的研发涡扇发动机，谋求在航空动力上走在前列。
现在就来揭秘涡扇发动机的工作原理以及应用的先进技术。
涡扇发动机的组成
从前至后，涡扇发动机由“风扇，压气机，燃烧室，导向叶片，高压涡轮叶片和涡轮盘，低压涡轮叶片和涡轮盘，加力燃烧室，尾喷管”，这七大部分组成。
而在这七大组成部分中，还会有细分的结构。如在压气机中，也可以分为高压压气机和低压压气机。低压压气机在前，紧临着风扇。高压压气机在后，与燃烧室相连。
涡扇发动机的工做原理:简单来说，涡扇发动机就是将空气吸进燃烧室中，与喷出的燃料混合后进行燃烧，产生的高温高压气流，经过高低压涡轮后，从尾喷管喷出，最后产生推力，推动飞机前进。
下面就来细细分析一下，涡扇发动机各个部分的主要作用。
风扇：风扇的作用主要就是将空气吸进压气机，进行预压缩。被风扇吸进发动机的空气，一部分进入低压压气机中，也就是内涵道，经过燃烧后，进入尾喷管。另一部分进入外涵道，不经过燃烧流到尾喷管。
压气机：压气机的作用主要就是，将被风扇吸进来的空气加压加速后吹入燃烧室中。
燃烧室：被压气机吹过来的空气，进入燃烧室之后当做氧化剂与燃料混合后进行燃烧。
导向叶片：从燃烧室出来的气流，经过导向叶片后，以最合适的角度吹向高压涡轮叶片。
高压涡轮叶片和涡轮盘：燃烧之后的高温高压高速气流，吹动高压涡轮叶片，并带动涡轮盘高速转动。而涡轮盘是直接固定在涡轮轴上的，也顺便带动涡轮轴转动，引起高压压气机的转动。
低压涡轮叶片和涡轮盘：当高温高压高速气流，流经高压涡轮叶片时，会损失一些能量。进而流经低压涡轮叶片，吹动低压涡轮盘转动。而低压涡轮盘也是固定在涡轮轴上，其转动之后又引起低压压气机和风扇的转动。
加力燃烧室：经过低压涡轮叶片之后的，高温高压气流所具备的能量必然不如在燃烧室时的多，而进入加力燃烧室后，还会重新燃烧，提供更大的推力。
尾喷管：经过加力燃烧室燃烧之后的高温高压高速气流，通过尾喷管喷出来。
也就是说，风扇首先吸入空气-压气机将空气压缩-进入燃烧室开始燃烧-流经高低压涡轮，带动风扇和压气机单人运转-进入加力燃烧室燃烧-由尾喷管喷出。以上就是涡扇发动机，具体的工作原理。
既然知道了涡扇发动机的工作原理，那么，涡扇发动机是如何启动呢？这就需要飞机自带的APU，也就是辅助动力系统。顾名思义，APU就是辅助飞机启动的动力系统。
首先由飞机上的蓄电池给APU供电，当APU启动之后，就开始喷油燃烧，之后带动涡轮旋转，最终带动压气机开始压缩空气。并注入涡扇发动机的启动机中，然后带动涡扇发动机的压气机旋转，使得空气可以进入燃烧室进行燃烧，最终启动涡扇发动机。也就是说，APU是一部台小型的独立燃气涡轮发动机。
在了解涡扇发动机的工作原理之后，接下来就看一下，现今涡扇发动机所用的先进技术。
在所用的技术中，又分为制造技术和设计技术。
设计技术:高低压涡轮对转，奇数不对称叶片。
高低压涡轮对转:这样设计的好处就是减重和减少共振。因为高低压涡轮在同向旋转时，会产生共振，而共振会对涡轮叶片造成损坏。从而对发动机的寿命造成极为不利的影响。
而高低压涡轮对转，就可以让高低压涡轮旋转产生力相互抵消。如此一来，共振就减少了，也就可以提高航空发动机的寿命。
奇数不对称叶片:将叶片设计成奇数而不对称，也是为了减少共振。因为偶数叶片也就意味着对称，在旋转时就会发生共振。另外每个叶片都要设计的不相同，也是为了减少共振。
制造技术:真空电子束焊接，单晶耐高温合金叶片，整体叶盘，复合材料风扇，粉末冶金涡轮盘。
整体叶盘技术:传统航空发动机的高低压涡轮叶片，和涡轮盘是分开的。涡轮叶片是直接安装在涡轮盘上的，并由榫头，榫槽，锁紧装置进行固定。
很明显，多了榫头，锁紧装置。由此来看，最直接的影响结果就是涡扇发动机的部件数量增多，使得制造流程增多，产速减慢，还带来了重量的增加。不仅仅减小了涡扇发动机的推重比，还给维护带来了困难。
而整体叶盘技术，就是把叶片和叶片融为一体，也就省去了榫头，榫槽，锁紧装置。当省去了这些部件之后，带来的不仅仅是维护时的便捷，还有涡扇发动机推重比的增加。所以说，整体叶盘技术的使用，对涡扇发动机而言，有着极大的好处。
单晶耐高温合金材料：由于高压涡轮叶片，直面从燃烧室出来的高温高压高速气流。所以对其耐高温性能，抗蠕变性能，抗冲击性能，机械疲劳性能，抗氧化，抗高温腐蚀性能等有较高的要求。由于要具备以上的性能，也就注定了高压涡轮叶片的性能，在涡扇发动机中是最强的。
随着科技的发展，涡扇发动机的涡轮叶片所使用的材料，先后经过了变形高温合金，普通铸造等轴晶高温合金，定向凝固高温合金，单晶耐高温合金这四个阶段。目前大量应用的就是单晶耐高温合金。
目前来说，单晶耐高温合金材料，已经发展了五代。
第一代主要是美制“CMSX-2，PWA1480”，国产“DD403，DD402”。
第二代主要是美制“CMSX-4，PWA1484”，国产“DD406，DD408”。
第三代主要美制“CMSX-10”，国产“DD409”，日本的“TMS-75”。
第四代主要是日本的“TMS-138”。
第五代主要是日本的“TMS-162”。
从第一代到第五代，单晶耐高温合金的耐高温性能，抗蠕变能力，抗高温腐蚀，抗氧化能力依次增大。
只不过日本制造的第三代至第五代单晶耐高温合金使用了大量的铼，导致造价飙升，最大的可能存在于实验室中。但是考虑到XF9-1涡扇发动机出来了，估计其也使用了第四代或者第五代单晶耐高温合金。
因为提高涡前温度，可以显著的增大发动机的推力，所以高压涡轮叶片的耐高温上限是越高越好。
复合材料风扇：早些时候的涡扇发动机的，风扇叶片是由金属制成的。但是金属的重量大，对发动机的推重比不利。此外，叶片得重量越大，在转动时的离心力也越大，对叶盘的影响也越大。
而复合材料制造的风扇叶片具备质量轻，强度高，耐腐蚀性能强，抗冲击能力强的特点。如今的复合材料叶片是由500层Hexcel的HexPly M91碳纤维增强体，高韧性和耐冲击环氧预浸料制成。不过，风扇前缘依然由钛合金制成。
综合来看，涡扇发动机的性能会越来越好的。
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