详解航空涡轮发动机

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1、详解航空涡轮发动机(一)【字体大小：大中小】引言       古往今来，人类飞上天空的梦想从来没有中断过。古人羡慕自由飞翔的鸟儿，今天的我们却可以借助飞机来实现这一理想。鸟儿能在天空翻飞翱翔，靠的是有力的翅膀；而飞机能够呼啸驰骋云端，靠的是强劲的心脏——航空涡轮发动机。       航空涡轮发动机，也叫喷气发动机，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机等几大类，是由压气机、燃烧室和涡轮三个核心部件以及进气装置、涵道、加力燃烧室、喷管、风扇、螺旋桨和其它一些发动机附属设备比如燃油调节器、起动装置等组成的。其中，压气机、燃烧室和涡轮这三大核心部件构成了我们所说

2、的"核心机"。每个部件的研制都要克服巨大的技术困难，因而航空涡轮发动机是名副其实的高科技产品，是人类智慧最伟大的结晶，其研制水平是一个国家综合国力的集中体现。目前世界上只有美、俄、法、英等少数几个国家能独立制造拥有全部自主知识产权的航空涡轮发动机。       2002年5月，中国自行研制的第一台具有完全自主知识产权、技术先进、性能可靠的航空涡轮发动机——"昆仑"涡喷发动机正式通过国家设计定型审查，它标志着我国一跃成为世界第五大航空发动机设计生产国。"昆仑"及其发展型完全可以满足今后若干年内我军对中等偏大推力涡喷发动机的装机要求，将来在其基础上发展起来的小涵道比涡扇发动

3、机还可以满足我国未来主力战机的动力要求，是我国航空涡轮发动机发展史上的里程碑。       要了解航空涡轮发动机，首先要从它的最关键部分--核心机开始。核心机包括压气机、燃烧室和涡轮三个部件，它们都有受热部件，工作条件极端恶劣，载荷大，温度高，容易损坏，因此航空涡轮发动机的设计重点和瓶颈就在于核心机的设计。详解航空涡轮发动机(二)【字体大小：大中小】压气机       压气机的作用是将来自涡轮的能量传递给外界空气，提高其压力后送到燃烧室参与燃烧。因为外界空气的单位体积含氧量太低，远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的含氧量。所以如果外界空气不经过压缩，那么发动机的热力循环效

4、率就太低了。       在航空涡轮发动机上使用的压气机按其结构和工作原理可以分为两大类，一类是离心式压气机，一类是轴流式压气机。离心式压气机的外形就像是一个钝角的扁圆锥体。由于其迎风面积大，现在已经不在主流航空涡喷/涡扇发动机中使用了，仅在涡轴发动机中有一些应用。轴流式压气机因其中主流的方向与压气机轴平行而得名，它是靠推动气流进入相邻叶片间的扩压信道来实现气流增压的。轴流式压气机具有体积小、流量大、效率高的特点，虽然轴流式压气机单级增压比不大（约1.3～1.5），但是可以将很多级压气机叶片串联起来，一级一级增压，其乘积就是总的增压比。轴流式压气机的这些优点，使其成为现

5、代航空涡轮发动机的首选。压气机的主要设计难点在于要综合保证效率、增压比和喘振裕度者三大主要性能参数满足发动机的要求。       压气机效率是衡量压气机性能好坏的重要指标，它反映了气流增压过程中产生能量损失的大小，如果效率太低，能量损失过大，压气机就是出力不讨好。       增压比是指压气机出口气压与进口气压之比，这个参数决定了压气机给后面的燃烧室提供的"服务质量"的好坏以及整个发动机的热力循环效率。目前人们的目标是提高压气机的单级增压比。比如在GE公司的J-79涡喷发动机上用的压气机风扇有17级之多，平均单级增压比为1.16，这样17级叶片的总增压比大约在12.5左

6、右；而F-22的F-119涡扇发动机的压气机中，3级风扇和6级高压压气机的总增压比就达到了25左右，平均单级增压比为1.43。       但随着压气机的增压比越来越高，压气机喘振的问题凸显了出来。       喘振是发动机的一种不正常的工作状态，是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。喘振是发动机的致命故障，严重时可能导致发动机空中停车甚至发动机致命损坏。衡量发动机喘振性能的指标叫做"喘振裕度"，就是说发动机的进气口流量变化多少会引发喘振，这个值一般都要求达到15％甚至20％以上。航空涡轮发动机性能要先进，稳定工作范围宽，首先要求喘振裕度要大，压气

7、机工作点距离喘振边界远。其次，发动机抗畸变能力要强。进气口的气有时是不均匀的，尤其是飞机做大机动动作时，进气道唇口气流发生分离，造成压气机进口畸变，气流不均匀。这时发动机的喘振裕度就会减小，加减速又会把一部分喘振裕度消耗掉，也可能造成停车，所以喘振裕度必须足够，对畸变不敏感。导弹的尾焰也容易造成温度场畸变，使发动机停车，所以要有武器发射防喘自动控制系统。       早期的轴流式压气机多数为单转子轴流式压气机，即各级压气机是装在同一根传动轴上、由同一个涡轮驱动并以相同转速工作的。这种压气机结构比较简单，但是当单转子的发动机在工作中转速突然