涡轮风扇发动机原理

   燃气涡轮发动机最大的用途是用作飞机发动机，而且航空发动机绝大多数是燃气涡轮发动机，称为航空燃气涡轮发动机，主要有四种类型，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机，用的最广的是前两种。上一节介绍了涡喷发动机，涡喷发动机耗油大，但超音速飞机必须使用涡喷发动机；在亚音速使用涡喷发动机则经济性差，在亚音速飞行特别是民用航空多用涡扇发动机，本节介绍涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机。 

    涡扇发动机包括轴流式压气机、环形燃烧室（或环管燃烧室）、轴流式涡轮组成的核心机与风扇组成，风扇由核心机带动。本节通过一个涡扇发动机模型来说明基本结构与简单原理，模型仅由主要部件组成，静叶不显示；润滑系统、启动系统等附属系统示意性显示；模型各部件比例未与任何实际发动机相同，模型仅作基本结构与原理演示。

    涡扇发动机的推力来自两个方面：一部分是核心机喷出的燃气产生推力；更多的是风扇旋转产生推力。由于风扇只能运行在低转速，压气机需要较高转速，于是有二转子或三转子涡扇发动机。

图1是涡扇发动机模型的转子，是由三个转子组成的三转子结构：高压涡轮（1级）与高压压气机（6级）同轴，共同构成高压转子，见剖面图中红色部分；中压涡轮（1级）与中压压气机（4级）同轴，共同构成中压转子，见剖面图中黄色部分；低压涡轮（2级）与风扇同轴，共同构成低压转子，见剖面图中蓝色部分。三个转子轴线重合，低压转子轴在中心，中压转子轴是管状，套在低压转子轴上，高压转子轴也是管状，套在中压转子轴上。三个转子轴间有空隙，不直接接触，安装在各自的轴承上，轴承固定在轴承机匣上，见剖面图中绿色部分。 

    三个转子各自运行在最佳转速，高压压气机运行在高转速，中压压气机转速一般比高压压气机略低些，风扇运行在低转速，压气机分两段不同转速可用较少级数达到较高的压缩比。

图1--3转子结构示意图

    图2是3转子涡扇发动机结构示意图，其中心部分与普通涡轮发动机一样，本模型采用环形燃烧室，只是转子为3转子结构。在低压转子前端头是风扇，在风扇外周是风扇包容机匣，用来保护风扇与安装附件装置，风扇静子叶片可对风扇后的气流进行整流。

图2--3转子涡扇发动机结构图

    图3是3转子涡扇发动机工作区划分与气流走向图。一部分空气经过风扇进入压气机，经过燃烧室、涡轮从喷管喷出，这部分称为内涵气流；大部分空气经过风扇从核心机外壳的外环流过，称为外涵气流，外涵气流与内涵气流流量（质量）之比称为涵道比，本模型属大涵道比涡扇发动机。 

    内涵气流经过风扇与中压压气机与高压压气机得到较高的气压（增压比达24以上）。图中白色箭头线是在压气机内气流走向。在燃烧室升温膨胀得到很高的速度喷向涡轮机，第一级涡轮以很高转速带动高压压气机旋转，第二级涡轮以低一些的转速带动中压压气机旋转，第三、四级涡轮以较低转速带动风扇旋转，图中橙红色箭头线是在燃烧室经过涡轮的气流走向。外涵气流由风扇推动产生，图中浅蓝色箭头线是外涵气流走向。

图3--3转子涡扇发动机工作气流图

    图4是安装在机翼下的涡扇发动机，图中橙红色箭头线是内涵气流走向，白色箭头线是外涵气流走向，外涵气流与内涵气流的动能一起产生发动机的推力。

图4--安装在机翼下的涡扇发动机

    涡扇发动机广泛用在民航客机、货运机，军用运输机、轰炸机等大型飞机。

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来源：非标机械专栏