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。

飞机涡扇发动机研究分析(飞机的动力来源-涡扇发动机的工作原理)(1)

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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”。

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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。

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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。

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综合来看,涡扇发动机的性能会越来越好的。

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