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改进型涡扇发动机

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飞机实现垂直起降后,对飞行的要求更高了,所以发动机也必须进行改进,因为发动机是飞机的“心脏”。

1、传统航空涡扇发动机简析:

涡喷发动机以燃油与空气燃烧后高速喷出燃气的反作用力为动力的,由于喷口截面积小,只能以极高的喷速才能获得较大的推力,是以消耗大量燃油为代价的,所以不省油效率低。而把涡喷带动螺旋桨变成涡桨便成为最省油高效的形式了,但速度较低,于是把螺旋桨变小成多片并放在一个涵道里,后面是连着核心机的内涵道和只走冷风的外涵道,于是就成了涡扇发动机。内涵道实际上就是涡喷发动机,而外涵道就相当于螺旋桨,这时相当于增大的作用力面积,所以这是个力量大又省油的好方法。

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早期的涡扇发动机为单转子,这样风扇和压气机转速一样问题多多(喘振),后来又出现了双转子,高、低压压气机分别驱动,但由于风扇要和低压压气机联动,风扇的直径远远大于低压压气机的直径,以相同转数旋转时彼此外缘的线速度相差太大,所以风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。风扇为将就压气机而必需提高转数,这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大,巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大,在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长,风扇的直径小下来了,函道比自然也上不去,而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大,而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数,降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去,单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。这样会出现风扇的尺寸难以加大,低压压机的转速也上不去,所以又出现了三转子的涡扇发动机,也是再加一个转子,让风扇独立运转,可这太复杂,现在搞的也不多。

这里还要提一下大涵道比的民用涡扇发动机,它的风扇虽然巨大,但也是传统的风扇,在前面的分析过它的不足,这也是导致此发动机不能进行超音速飞行的主要原因,所以要进行超音速飞行就要改革传统风扇。

2、横向多级式强力风扇在涡扇发动机上的应用:

(1)、风扇的改进:混合式的风量型涡扇发动机风扇:

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应用了分级式强力风扇的涡扇发动机的风扇主要是要求有较大的进气量,所以对风量的较大的要求,这样就得像传统风扇那样的薄叶片状,并且有一定的弯曲扭曲,以尽最大的通气量(如下图)。另外,发动机始终在工作,为了加强安全可靠性和降低成本,扇叶也取消扇叶片的转角机构,扇叶片直接固定在从动轴承上,其它结构的与升力型风扇无太大区别。

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在当今大涵道比的民用或军用运输机的涡扇发动机上,大直径风扇已受较大的限制,而用横向多级式强力风扇来改进涡扇发动机的风扇,情况就可以有较大的改观。比如针对双转子涡扇发动机的问题,就可以利用本横向多级式强力风扇把内外涵道分成两个风扇如左下图、中下图,当然,如果风扇直径太大,还可以把外涵道风扇再分成两层,形成三级扇叶的风扇,如右下图。

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(2)、具体结构设计说明:

一般直径的风扇分成内外串列的两级嵌套式结构,里面一级风扇是内涵道涡扇(浅蓝色),外面一级的是外涵道涡扇(粉红色)。驱动轴安装在风扇的后面,这样做的好处是不用格外设置驱动轴的支架,只利用发动机壳和内外涵道隔支架就可以安装驱动轴了(如下图)。

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当然,驱动轴也可安装在风扇的前面,这样做得格外设置驱动轴支架,在高速飞行时可能对空气的阻力大一些(如下图)。

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对于较大直径的风扇可进一步分成内外串列的三级嵌套式结构,里面一级风扇是内涵道涡扇(浅蓝色),外面二级的是外涵道涡扇(粉红色)。如下图,也就是把外涵道再分级,让通气的效率更高。

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驱动轴可以安装在风扇的后面,不用格外设置驱动轴的支架,只利用发动机壳和内外涵道隔支架就可以安装驱动轴了(如下图)。但由于中间的一级环形扇叶圈的支架需要有支撑,所以从发动机壳和内外涵道隔支架之间连接有扇叶圈支架横梁以支撑固定中间的环形扇叶圈。像本图上设计的有六根扇叶圈支架横梁,一般做成片状,对气流的影响较小,同是也可以进行一定的整流。

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如果驱动轴安装在风扇的前面,这样做得格外设置驱动轴支架,如下图的六根,在高速飞行时可能对空气的阻力大一些(如下图)。

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(3)、原理简介

采用分级式强力风扇的改进型涡扇发动机内涵道涡扇与低压压气机联动,这样低压压气机的转数也能上去,内涵道核心机的进气效率也能提高;而外涵道涡扇外缘与内涵道涡扇的外缘用传动轴相连,这是采用了横向多级式强力风扇的原理,所以外涵道涡扇的外缘线速度与内涵道风扇外缘的线速度是相同的(当然也可以是不同的,可以预设一定转速比)。另外,由于省去了圆心那巨大的圆锥,这样,涡扇的进气效率就高了,产生的推力也大了。

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改进型涡扇发动机的驱动方式属于混合式的,由于涡扇发动机的动力来自低压涡轮,动力从中心传出,所以得从分级式风扇的中心驱动,也就是直接驱动第一级内涵道风扇的圆心,这样就能保证它与低压压气机联动时外缘线速度上的一致,并且还要利用内涵道风扇外缘的齿轮通过传动轴齿轮驱动外涵道的环形扇叶圈的外缘,保证内外涵道外缘线速度上的相同,这就是混合式驱动,也就是内涵道风扇利用内驱式驱动,外涵道环形扇叶圈利用外驱式驱动。

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正因为内外涵道分开,互不干扰,并且通气效率极高,所以利用本设计的分级式强力风扇的改进型涡扇发动机会有巨大的推力。另外,传动轴安装在扇叶后面(上图中右)的可靠性较大,可靠性高,是一个比较好的实践方向。

3、逐级调速的涡扇发动机设想:

实际上在涡扇发动机的每一级压气机最好都有自己的转速,这样的压缩效果会比较好,什么喘振问题也能得到较好的的解决。

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如上示意图,在低压压气机上利用与前面的风扇一样的道理,前几级压气机采用不同的比例进行减速,到最后一级就不用减速,以最高速旋转,这样的压缩效果会好些,当然结构会复杂,这只是一个探索。

总之,事物不是一成不变的,必须在改进中不断的完善。


本文内容于 2011/7/1 17:26:12 被壮志凌云2编辑

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