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涡轮风扇喷气发动机工作原理
2016-07-20   航空网 审核人:   (点击: )

涡轮风扇喷气发动机的诞生

  二战后,随着时间推移、技术更新,涡轮喷气发动机显得不足以满足新型飞机的动力需求。尤其是二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机,飞行速度要求达到高亚音速即可,耗油量要小,因此发动机效率要很高。涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求,使得上述机种的航程缩短。因此一段时期内出现了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。

  实际上早在30年代起,带有外涵道的喷气发动机已经出现了一些粗糙的早期设计。4050年代,早期涡扇发动机开始了试验。但由于对风扇叶片设计制造的要求非常高。因此直到60年代,人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片,从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。

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涡扇发动机示意图

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CFM56堪称有史以来全球最成功的民用航空发动机

  50年代,美国的NACA(NASA 美国航空航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要的科研工作。5556年研究成果转由通用电气企业(GE)继续深入发展。GE1957年成功推出了CJ805-23型涡扇发动机,马上打破了超音速喷气发动机的大量纪录。但最早的实用化的涡扇发动机则是普拉特·惠特尼(Pratt & Whitney)企业的JT3D涡扇发动机。实际上普·惠企业启动涡扇研制项目要比GE晚,他们是在探听到GE在研制CJ805的机密后,匆忙加紧工作,抢先推出了了实用的JT3D

  1960年,罗尔斯·罗伊斯企业的康威”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用,成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。60年代洛克西德SAMSUNG客机和波音747“珍宝客机采用了罗·罗企业的RB211-22B大型涡扇发动机,标志着涡扇发动机的全面成熟。此后涡轮喷气发动机迅速的被西方民用航空工业抛弃。

  

    涡轮风扇喷气发动机的原理

  涡桨发动机的推力有限,同时影响飞机提高飞行速度。因此必需提高喷气发动机的效率。发动机的效率包括热效率和推进效率两个部分。提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比,就可以提高热效率。因为高温、高密度的气体包含的能量要大。但是,在飞行速度不变的条件下,提高涡轮前温度,自然会使排气速度加大。而流速快的气体在排出时动能损失大。因此,片面的加大热功率,即加大涡轮前温度,会导致推进效率的下降。要全面提高发动机效率,必需解决热效率和推进效率这一对矛盾。

  

    涡轮风扇发动机的妙处,就在于既提高涡轮前温度,又不增加排气速度。

  涡扇发动机的结构,实际上就是涡轮喷气发动机的前方再增加了几级涡轮,这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分如普通喷气发动机一样,送进压气机(术语称内涵道”),另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)

  因此,涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。

  这时,为提高热效率而提高涡轮前温度,可以通过适当的涡轮结构和增大风扇直径,使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道,从而避免大幅增加排气速度。这样,热效率和推进效率取得了平衡,发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低,飞机航程变得更远。

  

    加力式涡扇发动机

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  不加力式涡扇发动机

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  涡轮风扇喷气发动机的优缺点

  如前所述,涡扇发动机效率高,油耗低,飞机的航程就远。

  但涡扇发动机技术复杂,尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道,是极大的技术难题。因此只有少数国家能研制出涡轮风扇发动机,中国至今未有批量实用化的国产涡扇发动机。涡扇发动机价格相对高昂,不适于要求价格低廉的航空器使用。

 

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