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航空發動機是怎樣一步步變成現在這個樣子的?


三維打擊07-06

航空發動機,是被網民吐槽最多的兩種產品之一(另一種是芯片),下面帶各位認識一下讓國人魂牽夢繞的航空發動機,看看航空發動機是怎樣一步步變成現在這個樣子的。

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一、活塞式發動機

萊特兄弟1903年發明飛機的時候,使用的是活塞式汽油機,與汽車用發動機的原理和基本構造是相同的,只是單位重量的功率更大。由活塞式汽油機帶動螺旋槳旋轉,螺旋槳的槳葉的截面與飛機機翼相似,轉動后可加速空氣,進而與空氣產生作用力與反作用力,獲得向前的推力。此后近40年的時間里,活塞式汽油機一直是飛機的動力,當然,臨近二戰結束時,活塞式汽油機的功率已與1903年時不可同日而語,結構形式主要有2種:

1. 星型發動機,利用空氣冷卻,無需冷卻液,但是迎風面積較大,一般用于運輸機、戰略轟炸機和艦載機。

2. V型發動機,需要冷卻液,但是迎風面積較小,一般用于路基戰斗機和戰術轟炸機。

活塞式發動機時代,有一件裝置不得不說,那就是渦輪增壓器,20世紀初,瑞士人提出了渦輪增壓的概念,即利用活塞機廢氣的殘余能量,驅動渦輪,渦輪驅動壓縮機,使空氣進入氣缸之前就得到了預壓縮,此舉相當于增大了氣缸的容積,可以使活塞內燃機產生更大的功率,二戰時期,美國的飛機發動機廣泛使用了渦輪增壓器,使得其飛機在高空依然能夠產生較大的功率,渦輪增壓器的渦輪和壓縮機,結構形式及原理與離心式噴氣發動機的渦輪和壓氣機基本一致。

 

二、噴氣式發動機

噴氣式發動機的學名是航空燃氣渦輪發動機,這個劃時代的發明并不是突然出現的,18世紀末世人就提出了燃氣渦輪機的工作過程,1920年德國制出第一臺能夠獨立運轉的燃氣渦輪發動機,20世紀30年代瑞士研制出地面發電用燃氣渦輪發動機,德國和英國分別研制了渦輪噴氣發動機,簡稱渦噴發動機,屬于噴氣式發動機的初級形式。

相對于活塞式發動機,渦噴發動機有著壓倒性的優勢,除了油耗較高外,渦噴發動機有著重量輕(即使不算螺旋槳,渦噴發動機也要輕于活塞式發動機,況且渦噴發動機不需要配合螺旋槳使用)、成本低(是的,最初的渦噴發動機,成本是低于活塞式發動機的)等優點,最關鍵的是,使用活塞式發動機的飛機,極限速度無法超過800km/h,因為在這個速度下,螺旋槳葉尖已接近音速,想要再提高飛行速度,就得提高螺旋槳轉速,這時槳葉就會遇到可怕的音障,極易造成槳葉折斷、機毀人亡的事故,而使用渦噴發動機的飛機,可輕易突破音速,因此渦噴發動機一面世,迅速取代活塞式發動機,成為絕大多數飛機的動力裝置,目前,僅一些輕型飛機還使用活塞式發動機,主要是直列或水平對置型。

德國研制的是軸流式渦噴發動機,迎風面積小,但結構復雜,可靠性差,在當時的技術條件下,并不是一個好的選擇。

英國研制的是離心式渦噴發動機,迎風面積大,但結構簡單,可靠性高,在當時的技術條件下,是更好的選擇,因此二戰后初期美、蘇均采用了離心式發動機,值得一提的是,美蘇最初裝備的噴氣發動機都是從英國購買的尼恩發動機技術。

渦噴發動機主要是由壓氣機、燃燒室、渦輪3大部件構成,軸流式渦噴發動機和離心式渦噴發動機的主要區別就在壓氣機,一個用軸流式壓氣機,通過多級串聯,壓縮空氣,空氣沿軸向流入燃燒室,與燃油混合、燃燒后吹動渦輪旋轉,然后高速排出,渦輪的作用是驅動壓氣機,另一個用離心式壓氣機,通過一個離心式葉輪,壓縮空氣,空氣折流90度后進入燃燒室,后面跟軸流式渦噴發動機基本一致。需要說明的是,每級壓氣機和每級渦輪都是由一排轉葉和一排靜葉組成,只不過壓氣機是轉葉在前,靜葉在后,渦輪是靜葉在前,轉葉在后。

隨著對飛機速度要求的不斷提高,離心式渦噴發動機迎風面積大的缺點開始變得難以接受,并且技術的發展也解決了軸流式渦噴發動機結構復雜、可靠性差的問題,因此大型噴氣發動機開始紛紛轉向軸流式,只有渦槳發動機和渦軸發動機仍采用離心式,不過也不是完全的離心式,離心式葉輪前面,一般都會串一個軸流壓氣機。

通過卡諾定理得知,燃燒溫度越高,發動機效率越高,為了提高發動機效率,一方面要提高渦輪的抗高溫能力,一方面要通過增加壓氣機級數和每級壓縮比來提高壓氣機的總壓縮比。但是,隨著壓氣機級數和總壓縮比的不斷增加,喘振的問題出現了。

關于喘振,小編在此要多啰嗦幾句,喘振通俗講就是排氣不暢,多級軸流式壓氣機在設計時,主要考慮的是各級在爬升、巡航等工作轉速下的氣動匹配,很難兼顧到起動到慢車(慢車即我們常說的怠速),以及慢車到工作轉速升轉過程中的氣動匹配,級數越多,越難匹配,升轉過程中,后面幾級總是抱怨前面幾級轉的太快,送來太多貨物,沒法及時流轉出去,想要及時流轉出去,自己就得轉的更快,但是大家都在一根軸上,轉速是相同的,后面幾級轉的快了,前面幾級也轉的快了,運來的貨物更多了,還是沒法及時流轉出去,沒法及時流轉出去的后果就是貨物堆積在后面幾級,堆積到一定程度,就會往前吐(嚴重時,會帶著燃燒室中的火焰一并吐出去),吐到前面確實會舒暢一會,但是發動機還在運轉,馬上又有貨物來了,還是沒法及時流轉出去,于是再往前吐,如此循環,后果就是轉子軸向力不停變向,發動機急劇振動,很短時間內就會造成嚴重的損壞。

想必讀者很清楚了,喘振對發動機來說是致命的,但工程師總是能想到解決辦法:

1. 前幾級靜葉設計為角度可調節,低轉速時關閉一定角度,減少向下游的貨物輸送量;

2. 中間放氣,在壓氣機中間某個部位設置放氣口,把部分貨物通過放氣口直接排往大氣,減少向下游的貨物輸送量;

3. 改為雙轉子,前面幾級轉的慢一些,后面幾級轉的快一些,各過各的好日子。

大多數發動機是同時采取上述3種解決辦法,其中第3種解決辦法效果最明顯,因此后續出現了大量的雙轉子渦噴發動機,主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪5大部件構成,低壓壓氣機和低壓渦輪一個轉子,高壓壓氣機和高壓渦輪一個轉子。

渦噴發動機確實能夠帶著飛機狂奔,但是油耗太高了,嚴重影響航程,還是不夠理想。打個比方,一個人站在冰道上,他身邊有兩排石頭,左手邊是1kg的,右手邊是2kg的,這個人通過每秒撿起1塊石頭向后扔的辦法使自己前進,如果選擇1kg的,則以相對自身2m/s的速度扔,如果選擇2kg的,則以相對自身1m/s的速度扔,根據動量守恒,這2種方式人受到的推力是一樣的,但是根據動能定理,1kg石頭獲得的動能是2J2kg石頭獲得的動能是1J,明顯1kg的石頭的動能更大,石頭的動能哪來的呢?當然是來源于這個人的身體,石頭的動能有什么用處嗎?毫無用處,但是是必要的浪費。

很明顯,相同的推力下,相比以較高的速度排出較少的氣體,如果以較低的速度排出較多的氣體,能量浪費更少,油耗也就更低,于是渦扇發動機出現了。

一開始出現的是小涵道比渦扇發動機(后面有名詞解釋),將雙轉子渦噴發動機的低壓壓氣機葉片加長,相應的增大低壓壓氣機機匣直徑,并向后延伸至發動機尾端,就成了小涵道比渦扇發動機,當然,低壓壓氣機也改名為風扇。風扇機匣延伸段與后面四個部件的機匣形成了一個環形流路,學名稱外涵,仍有一部分空氣流經高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪,學名稱內涵,外涵流量比上內涵流量就是涵道比。

涵道比的選擇是速度和油耗(油耗決定航程)權衡的結果,涵道比越小,迎風面積越小,阻力越小,越適合高速,但是油耗越高,航程越短,反之亦然。如果把渦噴發動機和渦槳發動機看做是渦扇發動機的變種,那么這兩種發動機就是涵道比選擇的兩個極端。

涵道比小于1的通常稱為小涵道比渦扇發動機,一般用于對速度要求較高的戰斗機,除了風扇、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪5大部件,通常還會帶加力燃燒室,在緊急情況下急劇加速;涵道比大于1的通常稱為大涵道比渦扇發動機,一般用于對速度要求較低的運輸機。

大涵道比渦扇發動機的結構形式已較小涵道比渦扇發動機發生了很大的變化,先介紹結構最簡單的雙轉子大涵道比渦扇發動機,由于外涵流量很大,風扇直徑也就相應很大,低壓渦輪無法帶動多級大直徑風扇,因此風扇減少為只有1級,風扇的壓縮比較小涵道比渦扇發動機的風扇低了很多,畢竟小涵道比渦扇發動機有3~4級風扇,為了減小高壓壓氣機的負擔,在風扇后面的內涵,加了3~4級壓氣機,跟風扇在一個轉子上,學名稱增壓級,由于風扇直徑太大,為了避免葉尖超音速,低壓轉子轉速不能太高,這樣增壓級的壓縮比就很小,因此,即使增加了增壓級,高壓壓氣機的負擔還是很大,一般要設計成10級左右(小涵道比渦扇發動機的高壓壓氣機一般為6級左右),壓縮比20左右。而且,低壓轉子轉速不能太高,也就是說低壓渦輪轉速不能太高,還要輸出很大的功率,意味著低壓渦輪的輸出扭矩要很大,只能增大低壓渦輪直徑,還要設計成很多級,一般4~7級,而小涵道比渦扇發動機的低壓渦輪一般2級。

雙轉子大涵道比渦扇發動機主要由風扇/增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪5大部件組成,風扇/增壓級和低壓渦輪一個轉子,高壓壓氣機和高壓渦輪一個轉子,各主要部件之間的對話大致是這樣的——

高壓壓氣機:增壓級這個豬隊友,那么大塊頭,出那么點力,搞得我壓力好大。

增壓級:怪我咯,我還不是讓風扇拖累的。

低壓渦輪:就是,本來我短小精悍,可你看我現在又胖又長又慢。

風扇:我也不想長這么大,可是我如果變小了,燃燒室那小子要多喝好多油才可以維持咱們現在的功力,老板會不高興的。

燃燒室:怎么感覺要怪到我頭上,我的燃燒效率都快100%了,還想咋的?

高壓渦輪:你們都消停點吧,這么多年了,就我的體型一直沒變過。

前面說了,雙轉子大涵道比渦扇發動機的高壓壓氣機一般要設計成10級左右,壓縮比20左右,喘振的風險很高,對高壓壓氣機氣動設計和防喘振技術提出了很高的要求,GE在這方面做得最好,所以GE的大涵道比渦扇發動機一直采用雙轉子,RR則另辟蹊徑,選擇攻關三轉子大涵道比渦扇發動機,也就是大名鼎鼎的RB211遄達系列的老祖宗。提起RB211,不得不說一件逸事, RB211研制過程中,嚴重超預算,RR被迫破產重組,發動機部分被英國政府收購(后來正常運營后,又將股份賣給私人),而汽車部分,也就是大名鼎鼎的勞斯萊斯,賣給了寶馬,為了籌集資金,還把斯貝發動機的技術賣給了我國,經過我國消化吸收,成為秦嶺發動機,裝備飛豹戰機。

三轉子大涵道比渦扇發動機主要由風扇、中壓壓氣機(類似雙轉子大涵道比渦扇發動機中增壓級的角色)、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪7大部件組成,風扇和低壓渦輪一個轉子,中壓壓氣機和中壓渦輪一個轉子,高壓壓氣機和高壓渦輪一個轉子。各個轉子可以在各自合適的轉速下工作,有了中壓壓氣機這個靠譜的隊友,高壓壓氣機的負擔也不用那么大了。但是,三轉子有一個非常棘手的問題:

我們知道,每個轉子至少要2個支點,每個支點包括軸承、潤滑組件、減振組件、密封組件等,而且都要支撐在承力框架上,RR為了減少承力框架數量(否則重量太大),多個支點采用中介軸承的方式,中介軸承就是內、外環均支在轉子上(一般軸承是內環支在轉子上,外環支在靜止件上),給潤滑、減振、密封結構的設計帶來了很大的困難,細微的結構不合理就會造成嚴重故障。但是RR終歸走通了這條路,然后不斷在RB211基礎上加以改進,搞出遄達系列,在大涵道比渦扇發動機市場占了一席之地。

PW就比較悲催了,多級高壓壓氣機不如GE,又不敢貿然涉足三轉子,因此在大涵道比渦扇發動機市場混的最慘,但是PW臥薪嘗膽十余年,重磅推出齒輪傳動大涵道比渦扇發動機,在大涵道比渦扇發動機市場掀起一陣腥風血雨。

前面說了,雙轉子大涵道比渦扇發動機的增壓級受風扇轉速低所累,無法充分發揮其功力,低壓渦輪也只能設計的又粗又長,但是在增壓級和風扇之間加上一個減速齒輪箱之后,這個問題就迎刃而解了,風扇繼續慢悠悠的轉,增壓級和低壓渦輪可以飛快的轉,增壓級轉的快了,壓縮比就上去了,高壓壓氣機的負擔可以降下來,低壓渦輪轉的快了,直徑可以減小,級數可以減少,實現其短小精悍的夢想,可謂皆大歡喜。

航空燃氣渦輪發動機還包括渦槳、槳扇和渦軸。

渦扇發動機去掉風扇,低壓渦輪帶動減速器,減速器再帶動螺旋槳,就成了渦槳發動機。

槳扇發動機可看作是渦扇發動機去掉了外機匣。

渦槳發動機的的減速器改為90度傳動,就成了渦軸發動機。


 

 

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