【發動機科普11】多轉子渦輪風扇發動機

2021-02-24 航空工業


航空工業,素有「工業之花」的美譽。而航空發動機則是航空工業「皇冠上的明珠」。為了讓大眾進一步了解航空發動機,揭開航空發動機的神秘面紗,中航工業官方微信每周2期進行發動機科普,內容覆蓋基礎的知識,包含未來展望,共36期。回復「發動機科普」+「期號」,例如回復「發動機科普01」即可獲取第一期內容。

多轉子渦輪風扇發動機


在渦輪風扇發動機中,有兩個只有氣動聯繫、且具有同心軸轉子的發動機稱作雙轉子渦輪風扇發動機。其工作原理和結構特點與雙轉子渦輪噴氣發動機基本相同。在雙轉子渦輪風扇發動機中,由於風扇後的壓氣機進口空氣壓強為風扇出口的壓強,比大氣壓強高許多,因此稱該壓氣機為高壓壓氣機。在燃燒室後、驅動高壓壓氣機的渦輪則稱為高壓渦輪,由高壓壓氣機轉子與高壓渦輪轉子組成高壓轉子;位於高壓渦輪後、驅動風扇的渦輪稱為低壓渦輪,由風扇轉子與低壓渦輪轉子組成低壓轉子。目前世界上絕大部份渦輪風扇發動機都採用這種結構形式。法國的M53是目前世界上唯一還在服役的單轉子渦輪風扇發動機。


三轉子渦輪風扇發動機三個轉子示意圖

有三個只有氣動聯繫、且具有同心軸轉子的發動機稱作三轉子渦輪風扇發動機。其工作原理和結構特點與雙轉子渦輪風扇發動機基本相同。只是將高壓壓氣機又分為中壓、高壓兩個轉子,分別由中壓、高壓兩個渦輪轉子帶動。從三轉子渦輪風扇發動機的三個轉子示意圖中可以看出,在發動機中部,連接高壓壓氣機和高壓渦輪的軸直徑很大,以便中、低壓渦輪軸能從中穿過,最後形成三個轉子的軸一個套一個,結構比較複雜,但採用三轉子結構的渦輪風扇發動機性能卻較好、零件數目少、重量也輕些。目前世界上只有少數幾種渦輪風扇發動機採用這種結構形式。

英國羅·羅公司在三轉子發動機研製方面有特長。第一種實用的三轉子發動機是RB-211民用高涵道比渦輪風扇發動機,在此基礎上他們又發展了遄達系列發動機;此外,還有英、德、意三國聯合研製的RB-199軍用加力渦輪風扇發動機;前蘇聯的D-18T、D-36、D-436民用高涵道比渦輪風扇發動機,以及美國聯信公司的ATF-3齒輪傳動的渦輪風扇發動機。它們的總增壓比高,都在20以上。

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    前者不僅渦輪前溫度較高,而且風扇直徑較大,涵道比可達8以上,這種發動機的經濟性優於渦輪噴氣發動機,而可用飛行速度又比活塞式發動機高,在現代大型幹線客機、軍用運輸機等最大速度為M0.9左右的飛機中得到廣泛的應用。根據熱機的原理,當發動機的功率一定時,參加推進的工質越多,所獲得的推力就越大,不加力式渦輪風扇發動機由於風扇直徑大,空氣流量就大,因而推力也較大。
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    風扇轉子由33片鈦合金葉片、鈦合金輪盤、傳動軸與保持軸等組成,重約380kg,外徑2.16m,葉片長0.7m,在葉高2/3處有減振凸臺。風扇轉子轉速為3860r/min,每個葉片產生的離心力約為550kN,用樅樹形榫根與輪盤相連,這在高涵道比渦輪風扇發動機中是少有的,RB211以後的系列發動機已將樅樹形榫根改為燕尾形榫根。
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    B-1轟炸機群未參加海灣戰爭主要是由於在開戰前約一個多月前,它的發動機F101在1990年12月突然出現兩起風扇葉片折斷故障(當時F101已積累使用時數達十萬小時,風扇葉片曾折斷過5次),發動機可靠性得不到保證,因此,不能讓飛機出勤
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    但戰鬥機的推重比在很大和度上是受發動機所限--如果飛機發動機的推重比小於6一級的話,其飛機的空戰推重比就很難達到1,如果強行提高飛機的推重比的話所設計的飛機將在航程、武器掛載、機體強度上付出相當大的代價。比如前蘇聯設計的蘇-11戰鬥機使用了推重比為4.085的АЛ-7Ф-1-100渦噴發動機。為了使飛機的推重比達到1,蘇-11的動力裝置重量佔了飛機起飛重量的26.1%。
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    跟大家分享一下Turbo EJ200發動機,這臺發動機是Rolls Royce公司(就是勞斯萊斯,另一種翻譯叫:羅爾斯羅伊斯,簡稱羅羅)聯合歐洲四國研製的先進雙轉子加力式渦輪風扇發動機,用於歐洲聯合研製的90年代戰鬥機EFA(現編號EF2000)。
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    地面試驗機F100-229-Plus使用了F119-PW-100發動機的第一級風扇作為提升風扇,採用了F100-PW-220的發動機風扇和核心機,採用了F100-PW-229的較大的低壓渦輪。F135發動機團隊由PW公司、羅爾斯•羅伊斯公司(Rolls-Royce)、伍德沃德公司(Woodward,Inc.)和漢密爾頓•松斯特蘭德(Hamilton Sundstrand)組成。
  • 硬核航發 寶馬-羅羅BR715航空發動機整體葉盤應用簡介和GE試驗風扇介紹|陳光談航發231
    圖15、F110 GE 129R發動機的風扇轉子由於新的風扇採用了寬弦與整體葉盤設計,使風扇部件效率提高,在維持發動機推力不變的條件下,渦輪前燃氣溫度可降低,使熱端部件的檢查間隔時間由4000TAC循環(戰術空軍循環