飛機渦輪風扇發動機原理

飛機渦輪風扇發動機原理

燃氣渦輪發動機最大的用途是用作飛機發動機,而且航空發動機絕大多數是燃氣渦輪發動機,稱為航空燃氣渦輪發動機,主要有四種類型,渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機,用的最廣的是前兩種。上一節介紹了渦噴發動機,渦噴發動機耗油大,但超音速飛機必須使用渦噴發動機;在亞音速使用渦噴發動機則經濟性差,在亞音速飛行特別是民用航空多用渦扇發動機,本節介紹渦輪風扇發動機,簡稱渦扇發動機。

渦扇發動機包括軸流式壓氣機、環形燃燒室(或環管燃燒室)、軸流式渦輪組成的核心機與風扇組成,風扇由核心機帶動。本節通過一個渦扇發動機模型來說明基本結構與簡單原理,模型僅由主要部件組成,靜葉不顯示;潤滑系統、啟動系統等附屬系統示意性顯示;模型各部件比例未與任何實際發動機相同,模型僅作基本結構與原理演示。

渦扇發動機的推力來自兩個方面:一部分是核心機噴出的燃氣產生推力;更多的是風扇旋轉產生推力。由於風扇只能運行在低轉速,壓氣機需要較高轉速,於是有二轉子或三轉子渦扇發動機。

圖1是渦扇發動機模型的轉子,是由三個轉子組成的三轉子結構:高壓渦輪(1級)與高壓壓氣機(6級)同軸,共同構成高壓轉子,見剖面圖中紅色部分;中壓渦輪(1級)與中壓壓氣機(4級)同軸,共同構成中壓轉子,見剖面圖中黃色部分;低壓渦輪(2級)與風扇同軸,共同構成低壓轉子,見剖面圖中藍色部分。三個轉子軸線重合,低壓轉子軸在中心,中壓轉子軸是管狀,套在低壓轉子軸上,高壓轉子軸也是管狀,套在中壓轉子軸上。三個轉子軸間有空隙,不直接接觸,安裝在各自的軸承上,軸承固定在軸承機匣上,見剖面圖中綠色部分。

三個轉子各自運行在最佳轉速,高壓壓氣機運行在高轉速,中壓壓氣機轉速一般比高壓壓氣機略低些,風扇運行在低轉速,壓氣機分兩段不同轉速可用較少級數達到較高的壓縮比。


飛機渦輪風扇發動機原理

圖1--3轉子結構示意圖

圖2是3轉子渦扇發動機結構示意圖,其中心部分與普通渦輪發動機一樣,本模型採用環形燃燒室,只是轉子為3轉子結構。在低壓轉子前端頭是風扇,在風扇外周是風扇包容機匣,用來保護風扇與安裝附件裝置,風扇靜子葉片可對風扇後的氣流進行整流。

飛機渦輪風扇發動機原理

圖2--3轉子渦扇發動機結構圖

圖3是3轉子渦扇發動機工作區劃分與氣流走向圖。一部分空氣經過風扇進入壓氣機,經過燃燒室、渦輪從噴管噴出,這部分稱為內涵氣流;大部分空氣經過風扇從核心機外殼的外環流過,稱為外涵氣流,外涵氣流與內涵氣流流量(質量)之比稱為涵道比,本模型屬大涵道比渦扇發動機。

內涵氣流經過風扇與中壓壓氣機與高壓壓氣機得到較高的氣壓(增壓比達24以上)。圖中白色箭頭線是在壓氣機內氣流走向。在燃燒室升溫膨脹得到很高的速度噴向渦輪機,第一級渦輪以很高轉速帶動高壓壓氣機旋轉,第二級渦輪以低一些的轉速帶動中壓壓氣機旋轉,第三、四級渦輪以較低轉速帶動風扇旋轉,圖中橙紅色箭頭線是在燃燒室經過渦輪的氣流走向。外涵氣流由風扇推動產生,圖中淺藍色箭頭線是外涵氣流走向。


飛機渦輪風扇發動機原理

圖3--3轉子渦扇發動機工作氣流圖

圖4是安裝在機翼下的渦扇發動機,圖中橙紅色箭頭線是內涵氣流走向,白色箭頭線是外涵氣流走向,外涵氣流與內涵氣流的動能一起產生髮動機的推力。


飛機渦輪風扇發動機原理

圖4--安裝在機翼下的渦扇發動機

渦扇發動機廣泛用在民航客機、貨運機,軍用運輸機、轟炸機等大型飛機。


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