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渦輪風(fēng)扇發(fā)動機

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(簡稱:渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,英國:Turbofan)它是一種飛機發(fā)動機,由渦輪噴氣發(fā)動機組成(英文:turbojet)發(fā)展而成。與渦輪噴氣發(fā)動機相比,渦扇發(fā)動機的主要特點是第一級壓氣機面積大得多,并用作空氣推進(jìn)器(扇),把吸入的一部分空氣通過外導(dǎo)管推回去。渦扇發(fā)動機最適合400到1000公里的飛行速度,所以現(xiàn)在大部分飛機都用渦扇發(fā)動機。

目錄

產(chǎn)品簡介

渦槳發(fā)動機排氣速度太低,推力有限,影響飛機飛行速度,需要提高噴氣發(fā)動機的效率。發(fā)動機的效率包括熱效率和推進(jìn)效率(發(fā)動機排氣速度與飛行速度之比)兩個部分。增加渦輪前面的氣體溫度并增加高壓壓縮機的壓力比(轉(zhuǎn)速),可以提高熱效率。因為高溫、高密度氣體包含更多的能量。但在飛行速度不變的前提下,提高渦輪前的溫度,意味著提高渦輪葉片和壓氣機在同一軸上的轉(zhuǎn)速,自然會提高排氣速度。而流速快的氣體在排出的時候損失了很多動能。

一般來說,渦輪噴氣發(fā)動機的排氣速度大多超過音速,而飛機大部分時間是亞音速飛行。所以單方面增加熱功率,也就是提高渦輪前的溫度,會導(dǎo)致推進(jìn)效率下降。要全面提高發(fā)動機效率,就要解決熱效率和推進(jìn)效率之間的矛盾。渦扇發(fā)動機的妙處在于,既提高了渦輪前的溫度,又不提高排氣速度(通過增加低速排氣流,平均排氣速度降低)

主要結(jié)構(gòu)

渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)其實就是渦噴發(fā)動機尾部增加1-2級低壓(低速)渦輪,驅(qū)動一定數(shù)量的風(fēng)扇,消耗一部分渦輪噴氣發(fā)動機(核心機)排氣動能,從而進(jìn)一步降低排氣速度。風(fēng)扇吸入的一部分氣流像普通噴氣發(fā)動機一樣被送到壓氣機(術(shù)語稱“內(nèi)涵道”另一部分直接從渦輪噴氣發(fā)動機殼體外圍排出(外涵道”因此,渦扇發(fā)動機的燃?xì)饽芰勘环謩e分配到風(fēng)扇和燃燒室產(chǎn)生的兩種排氣流中。此時,為了提高熱效率和提高渦輪前的溫度,可以通過適當(dāng)?shù)臏u輪結(jié)構(gòu)和增大風(fēng)扇直徑,將更多的燃?xì)饽芰客ㄟ^低壓渦輪驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)移到外部導(dǎo)管氣流中,從而避免排氣速度的顯著增加。這樣就平衡了熱效率和推進(jìn)效率,大大提高了發(fā)動機的效率。高效率意味著低油耗和更長的航程。但大風(fēng)扇直徑增加了發(fā)動機的迎風(fēng)面積,所以涵道比大于0.3渦扇發(fā)動機不適合超音速巡航飛行。渦扇發(fā)動機雖然降低了排氣速度,但并沒有降低推力,因為降低排氣速度的同時也增加了推力(外涵)排氣流量。從涵道比來看,渦扇發(fā)動機是渦噴發(fā)動機和渦槳發(fā)動機的折中。

產(chǎn)品特點


渦扇發(fā)動機優(yōu)點:推力大、推進(jìn)效率高、噪音低、油耗率低,飛機航程遠(yuǎn)。

缺點:風(fēng)扇直徑大,迎風(fēng)面積大,所以阻力大,發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計難度大。

工作原理

旁通比(旁路比,也稱為旁路比)是沒有通過燃燒室的空氣質(zhì)量


與通過燃燒室的空氣質(zhì)量的比率。涵道比為零的渦扇發(fā)動機是渦輪噴氣發(fā)動機。早期的渦扇發(fā)動機和現(xiàn)代戰(zhàn)斗機使用的渦扇發(fā)動機都具有低涵道比。比如世界上第一臺渦扇發(fā)動機,勞斯萊斯的康威,涵道比只有0.3。大多數(shù)現(xiàn)代客機發(fā)動機的涵道比通常在5以上。高涵道比的渦扇發(fā)動機耗油少,但推力和渦噴發(fā)動機相當(dāng),運行時安靜很多。

當(dāng)核心發(fā)動機相同時,渦扇發(fā)動機的工質(zhì)(工作介質(zhì))流量介于渦噴發(fā)動機和渦槳發(fā)動機之間。渦扇發(fā)動機比渦噴發(fā)動機有更大的工作流體流量、噴射速度低、推進(jìn)效率高、耗油率低、推力大。50年代研制的第一代渦扇發(fā)動機的涵道比、壓氣機壓比和燃?xì)鉁囟鹊停秃膬H比渦噴發(fā)動機低25%大概 0.06~ 0.07公斤/牛·時(6~0.7公斤/公斤力·時)60年代末、高涵多比誕生于20世紀(jì)70年代初(5~8)高增壓比(25~30)和高燃?xì)鉁囟龋?600~1750K)第二代渦扇發(fā)動機的油耗降低到0.03~0.04公斤/牛·時(3~0.4公斤/公斤力·時)推力高達(dá)200 ~ 250 kn(20000 ~ 25000公斤力)高涵路比渦扇發(fā)動機噪音低,排氣污染少,多用作大型客機的動力裝置這種客機在11公里高空的巡航速度可以達(dá)到950公里/時。但這種高涵道比的渦扇發(fā)動機,排氣噴射速度低,迎風(fēng)面積大,不適合超音速飛機。戰(zhàn)斗機通常使用低涵道比、帶加力的渦扇發(fā)動機在亞音速飛行時不使用加力,油耗和排氣溫度比渦噴發(fā)動機低,所以紅外輻射強度弱,不易被紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈擊中。以2倍以上的附加力進(jìn)行音速飛行時,產(chǎn)生的推力可以超過加力渦噴發(fā)動機,在地面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下推重比已經(jīng)達(dá)到8左右。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機由風(fēng)扇組成、低壓壓氣機(髙涵比渦扇特有)高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪驅(qū)動壓縮機、低壓渦輪驅(qū)動風(fēng)扇和排氣系統(tǒng)。

其中高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪統(tǒng)稱為核心發(fā)動機核心機排出的氣體中的一部分可利用能量被轉(zhuǎn)移到低壓渦輪驅(qū)動風(fēng)扇,剩下的被用于噴管加速排出的氣體。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子實際上是一個帶有一級或幾級長葉片的壓縮機空氣流過風(fēng)扇后,分為兩路:一路都是內(nèi)涵氣流空氣繼續(xù)被壓縮機壓縮,并在燃燒室中與燃油混合燃?xì)馔ㄟ^渦輪和噴管膨脹,燃?xì)鈴奈矅姽芨咚倥懦觯a(chǎn)生推力流動路徑通過低壓壓縮機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪,氣體從噴嘴排出;另一種方式是外風(fēng)道氣流,風(fēng)扇后的空氣通過外風(fēng)道直接排入大氣或與噴嘴內(nèi)部氣體一起排出。

渦扇發(fā)動機結(jié)合了渦噴發(fā)動機和渦槳發(fā)動機的優(yōu)點。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機將大部分氣體能量轉(zhuǎn)化為扭矩來驅(qū)動風(fēng)扇和壓縮機,其余的轉(zhuǎn)化為推力。渦扇發(fā)動機的總推力是核心發(fā)動機和風(fēng)扇產(chǎn)生的推力之和。這種內(nèi)外涵道渦扇發(fā)動機也叫內(nèi)外涵道發(fā)動機。也就是說,渦扇發(fā)動機可以單獨排氣,也可以混合排氣,可短可長(全涵道)的。風(fēng)扇可以由作為低壓壓縮機第一級的低壓渦輪驅(qū)動,或者可以由單獨的渦輪驅(qū)動。渦扇發(fā)動機的推力由兩部分組成:內(nèi)涵產(chǎn)生的推力和外涵產(chǎn)生的推力。對于高涵多比渦扇發(fā)動機,風(fēng)扇產(chǎn)生的推力占78%以上。通過外涵和內(nèi)涵的空氣流量之比稱為涵比或流量比。涵道比對渦扇發(fā)動機的性能影響很大,涵道比高,油耗低,但發(fā)動機迎風(fēng)面積大;旁路小的時候迎風(fēng)面積小,但是油耗高。涵道內(nèi)外兩股氣流分別排入大氣,稱為分置式渦扇發(fā)動機。混合式渦扇發(fā)動機是這樣一種發(fā)動機,內(nèi)部和外部的兩股氣流在內(nèi)部渦輪后面的混合器中相互滲透,并通過同一個噴嘴排入大氣。渦扇發(fā)動機也可以加裝加力燃燒室,成為加力渦扇發(fā)動機。分排渦扇發(fā)動機上的加力燃燒室可以安裝在內(nèi)部渦輪后面或外部涵道中,也可以安裝在混排渦扇發(fā)動機上的混合器后面。

民航客機常用的發(fā)動機多為渦扇發(fā)動機,如著名的cfm56(For the  A320/B737)PW4000(For  B777/A330)GE90(For  B777)GEnX(For  B787/B748)Rolls-Roy Trent 877(forB777)trent500(For  A345/A346)trent900(For  A380)trent1000(For  B787)

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