基本介紹
- 中文名：跨音速渦扇發動機
- 外文名：Turbofan
- 來源：渦輪噴氣發動機
- 運行速度：跨音速
- 優點：推力大、推進效率高等
- 缺點：阻力大，發動機結構複雜等
簡介,工作原理,三種發動機的比較,渦扇發動機的優缺點,
簡介
旁通比（Bypass ratio，也稱涵道比）是不經過燃燒室的空氣品質與通過燃燒室的空氣品質的比值。旁通比為零的渦扇引擎即是渦輪噴氣引擎。早期的渦扇引擎和現代戰鬥機使用的渦扇引擎旁通比都較低。例如世界上第一款渦扇引擎，勞斯萊斯的Conway，其旁通比只有0.3。現代多數民航機引擎的旁通比通常都在5以上。旁通比高的渦輪扇引擎耗油較少，但推力卻與渦輪噴氣引擎相當，且運轉時還寧靜得多。
核心機相同時，渦輪風扇發動機的工質（工作介質）流量介於渦輪噴氣發動機和渦輪螺旋槳發動機之間。渦輪風扇發動機比渦輪噴氣發動機的工質流量大、噴射速度低、推進效率高、耗油率低、推力大。50年代發展的第一代渦輪風扇發動機，其涵道比、壓氣機增壓比和燃氣溫度都較低，耗油率比渦輪噴氣發動機僅低25%左右，大約為 0.06～ 0.07公斤/牛·時（0.6～0.7公斤/公斤力·時）。60年代末、70年代初發展了高涵道比（5～8）、高增壓比（25～30）和高燃氣溫度 （1600～1750K）的第二代渦輪風扇發動機，耗油率降低到0.03～0.04公斤/牛·時（0.3～0.4公斤/公斤力·時），推力則高達200～250千牛（20000～25000公斤力）。高涵道比渦輪風扇發動機的噪聲低，排氣污染小，多用作大型客機的動力裝置，這種客機在11公里高度的巡航速度可達950公里/時。但這種高涵道比的渦輪風扇發動機的排氣噴射速度低，迎風面積大，不宜用於超音速飛機上。有些殲擊機使用了小涵道比、帶加力燃燒室的渦輪風扇發動機，在亞音速飛行時不使用加力燃燒室，耗油率和排氣溫度都比渦輪噴氣發動機低，因而紅外輻射強度較弱，不易被紅外製導的飛彈擊中。使用加力作2倍以上音速的飛行時，產生的推力可超過加力渦輪噴氣發動機，地面標準大氣條件下的推重比已達8左右。
工作原理
跨音速渦輪風扇發動機由風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、驅動壓氣機的高壓渦輪、驅動風扇的低壓渦輪和排氣系統組成。
大涵道比跨音速渦扇發動機
其中高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪三部分統稱為核心機，由核心機排出的燃氣中的可用能量，一部分傳給低壓渦輪用以驅動風扇，餘下的部分在噴管中用於加速排出的燃氣。風扇轉子實際上是1級或幾級葉片較長的壓氣機，空氣流過風扇後，分成兩路：一路是內涵氣流，空氣繼續經壓氣機壓縮，在燃燒室和燃油混合燃燒，燃氣經渦輪和噴管膨脹，燃氣以高速從尾噴口排出，產生推力，流經路程為經低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪，燃氣從噴管排出；另一路是外涵氣流，風扇後空氣經外涵道直接排入大氣或同內涵燃氣一起在噴管排出。
跨音速渦輪風扇發動機組合了渦輪噴氣和渦輪螺槳發動機的優點。渦扇發動機轉換大部分的燃氣能量成驅動風扇和壓氣機的扭矩，其餘的轉換成推力。渦扇發動機的總推力是核心發動機和風扇產生的推力之和。這種有內外二個涵道的渦輪風扇發動機又稱為內外涵發動機。也就是說，渦扇發動機可以是分開排氣的或混合排氣的，可以是短外涵的或長外涵(全涵道)的。 風扇可作為低壓壓氣機的第1級由低壓渦輪驅動，也可以由單獨的渦輪驅動。
原理圖
跨音速渦扇發動機的推力由兩部分組成：內涵產生的推力和外涵產生的推力。對於高涵道比渦扇發動機，風扇產生的推力占78%以上。流經外涵和內涵的空氣流量之比稱為涵道比或流量比。涵道比對渦輪風扇發動機性能影響較大，涵道比大，耗油率低，但發動機的迎風面積大；涵道比較小時，迎風面積小，但耗油率大。內外涵兩股氣流分開排入大氣的稱為分排式渦輪風扇發動機。內外涵兩股氣流在內涵渦輪後的混合器中相互滲混後通過同一噴管排入大氣的，稱為混排式渦輪風扇發動機。渦輪風扇發動機也可安裝加力燃燒室，成為加力渦輪風扇發動機。在分排式渦輪風扇發動機上的加力燃燒室可以分別安裝在內涵渦輪後或外涵通道內，在混排式渦輪風扇發動機上則可裝在混合器後面。
三種發動機的比較
渦槳發動機的排氣速度太低，推力有限，同時影響飛機提高飛行速度，因此必需提高噴氣發動機的效率。發動機的效率包括熱效率和推進效率（引擎排氣速度與飛行速度之比）兩個部分。提高燃氣在渦輪前的溫度和高壓壓氣機的增壓比（轉速），就可以提高熱效率。因為高溫、高密度的氣體包含的能量要大。但是，在飛行速度不變的前提下，提高渦輪前溫度，意味著提高渦輪葉片以及在同一根軸上的壓氣機的轉速，自然會使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時動能損失大。
渦扇發動機
一般渦噴發動機的排氣速度大多超過音速，而飛機大多數時候是在亞音速飛行。因此，片面地加大熱功率，即加大渦輪前溫度，會導致推進效率的下降。要全面提高發動機效率，必需解決熱效率和推進效率這一對矛盾。跨音速渦輪風扇發動機的妙處，就在於既提高了渦輪前溫度，又不增加排氣速度（通過增加低速的排氣流量，降低平均排氣速度）。
渦扇發動機的結構，實際上就是渦輪噴氣發動機的後方再增加了1-2級低壓（低速）渦輪，這些渦輪帶動一定數量的風扇，消耗掉一部分渦噴發動機（核心機）的燃氣排氣動能，從而進一步降低燃氣排出速度。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣，送進壓氣機（術語稱“內涵道”），另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出（“外涵道”）。因此，渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時，為提高熱效率而提高渦輪前溫度，可以通過適當的渦輪結構和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經低壓渦輪驅動風扇傳遞到外涵道氣流，從而避免大幅增加排氣速度。這樣，熱效率和推進效率取得了平衡，發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低，飛機航程變得更遠。但是大風扇直徑增加了發動機的迎風面積，所以涵道比大於0.3的渦扇發動機不適合超音速巡航飛行。雖然渦扇發動機降低了排氣速度，但並未降低推力，因為降低排氣速度的同時增加了（外涵）排氣流量。從涵道比的角度看，渦扇發動機是渦噴發動機和渦槳發動機的折中。
渦扇發動機的優缺點
優點：推力大、推進效率高、噪音低、燃油消耗率低，飛機航程遠。
缺點：風扇直徑大，迎風面積大，因而阻力大，發動機結構複雜，設計難度大。
