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20190719--航空发动机是怎样一步步变成现在这个样子的?


转自三维打击07-06

航空发动机,是被网民吐槽最多的两种产品之一(另一种是芯片),下面带各位认识一下让国人魂牵梦绕的航空发动机,看看航空发动机是怎样一步步变成现在这个样子的。

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一、活塞式发动机

莱特兄弟1903年发明飞机的时候,使用的是活塞式汽油机,与汽车用发动机的原理和基本构造是相同的,只是单位重量的功率更大。由活塞式汽油机带动螺旋桨旋转,螺旋桨的桨叶的截面与飞机机翼相似,转动后可加速空气,进而与空气产生作用力与反作用力,获得向前的推力。此后近40年的时间里,活塞式汽油机一直是飞机的动力,当然,临近二战结束时,活塞式汽油机的功率已与1903年时不可同日而语,结构形式主要有2种:

1. 星型发动机,利用空气冷却,无需冷却液,但是迎风面积较大,一般用于运输机、战略轰炸机和舰载机。

2. V型发动机,需要冷却液,但是迎风面积较小,一般用于路基战斗机和战术轰炸机。

活塞式发动机时代,有一件装置不得不说,那就是涡轮增压器,20世纪初,瑞士人提出了涡轮增压的概念,即利用活塞机废气的残余能量,驱动涡轮,涡轮驱动压缩机,使空气进入气缸之前就得到了预压缩,此举相当于增大了气缸的容积,可以使活塞内燃机产生更大的功率,二战时期,美国的飞机发动机广泛使用了涡轮增压器,使得其飞机在高空依然能够产生较大的功率,涡轮增压器的涡轮和压缩机,结构形式及原理与离心式喷气发动机的涡轮和压气机基本一致。

 

二、喷气式发动机

喷气式发动机的学名是航空燃气涡轮发动机,这个划时代的发明并不是突然出现的,18世纪末世人就提出了燃气涡轮机的工作过程,1920年德国制出第一台能够独立运转的燃气涡轮发动机,20世纪30年代瑞士研制出地面发电用燃气涡轮发动机,德国和英国分别研制了涡轮喷气发动机,简称涡喷发动机,属于喷气式发动机的初级形式。

相对于活塞式发动机,涡喷发动机有着压倒性的优势,除了油耗较高外,涡喷发动机有着重量轻(即使不算螺旋桨,涡喷发动机也要轻于活塞式发动机,况且涡喷发动机不需要配合螺旋桨使用)、成本低(是的,最初的涡喷发动机,成本是低于活塞式发动机的)等优点,最关键的是,使用活塞式发动机的飞机,极限速度无法超过800km/h,因为在这个速度下,螺旋桨叶尖已接近音速,想要再提高飞行速度,就得提高螺旋桨转速,这时桨叶就会遇到可怕的音障,极易造成桨叶折断、机毁人亡的事故,而使用涡喷发动机的飞机,可轻易突破音速,因此涡喷发动机一面世,迅速取代活塞式发动机,成为绝大多数飞机的动力装置,目前,仅一些轻型飞机还使用活塞式发动机,主要是直列或水平对置型。

德国研制的是轴流式涡喷发动机,迎风面积小,但结构复杂,可靠性差,在当时的技术条件下,并不是一个好的选择。

英国研制的是离心式涡喷发动机,迎风面积大,但结构简单,可靠性高,在当时的技术条件下,是更好的选择,因此二战后初期美、苏均采用了离心式发动机,值得一提的是,美苏最初装备的喷气发动机都是从英国购买的“尼恩”发动机技术。

涡喷发动机主要是由压气机、燃烧室、涡轮3大部件构成,轴流式涡喷发动机和离心式涡喷发动机的主要区别就在压气机,一个用轴流式压气机,通过多级串联,压缩空气,空气沿轴向流入燃烧室,与燃油混合、燃烧后吹动涡轮旋转,然后高速排出,涡轮的作用是驱动压气机,另一个用离心式压气机,通过一个离心式叶轮,压缩空气,空气折流90度后进入燃烧室,后面跟轴流式涡喷发动机基本一致。需要说明的是,每级压气机和每级涡轮都是由一排转叶和一排静叶组成,只不过压气机是转叶在前,静叶在后,涡轮是静叶在前,转叶在后。

随着对飞机速度要求的不断提高,离心式涡喷发动机迎风面积大的缺点开始变得难以接受,并且技术的发展也解决了轴流式涡喷发动机结构复杂、可靠性差的问题,因此大型喷气发动机开始纷纷转向轴流式,只有涡桨发动机和涡轴发动机仍采用离心式,不过也不是完全的离心式,离心式叶轮前面,一般都会串一个轴流压气机。

通过卡诺定理得知,燃烧温度越高,发动机效率越高,为了提高发动机效率,一方面要提高涡轮的抗高温能力,一方面要通过增加压气机级数和每级压缩比来提高压气机的总压缩比。但是,随着压气机级数和总压缩比的不断增加,喘振的问题出现了。

关于喘振,小编在此要多啰嗦几句,喘振通俗讲就是排气不畅,多级轴流式压气机在设计时,主要考虑的是各级在爬升、巡航等工作转速下的气动匹配,很难兼顾到起动到慢车(慢车即我们常说的怠速),以及慢车到工作转速升转过程中的气动匹配,级数越多,越难匹配,升转过程中,后面几级总是抱怨前面几级转的太快,送来太多货物,没法及时流转出去,想要及时流转出去,自己就得转的更快,但是大家都在一根轴上,转速是相同的,后面几级转的快了,前面几级也转的快了,运来的货物更多了,还是没法及时流转出去,没法及时流转出去的后果就是货物堆积在后面几级,堆积到一定程度,就会往前吐(严重时,会带着燃烧室中的火焰一并吐出去),吐到前面确实会舒畅一会,但是发动机还在运转,马上又有货物来了,还是没法及时流转出去,于是再往前吐,如此循环,后果就是转子轴向力不停变向,发动机急剧振动,很短时间内就会造成严重的损坏。

想必读者很清楚了,喘振对发动机来说是致命的,但工程师总是能想到解决办法:

1. 前几级静叶设计为角度可调节,低转速时关闭一定角度,减少向下游的货物输送量;

2. 中间放气,在压气机中间某个部位设置放气口,把部分货物通过放气口直接排往大气,减少向下游的货物输送量;

3. 改为双转子,前面几级转的慢一些,后面几级转的快一些,各过各的好日子。

大多数发动机是同时采取上述3种解决办法,其中第3种解决办法效果最明显,因此后续出现了大量的双转子涡喷发动机,主要由低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮5大部件构成,低压压气机和低压涡轮一个转子,高压压气机和高压涡轮一个转子。

涡喷发动机确实能够带着飞机狂奔,但是油耗太高了,严重影响航程,还是不够理想。打个比方,一个人站在冰道上,他身边有两排石头,左手边是1kg的,右手边是2kg的,这个人通过每秒捡起1块石头向后扔的办法使自己前进,如果选择1kg的,则以相对自身2m/s的速度扔,如果选择2kg的,则以相对自身1m/s的速度扔,根据动量守恒,这2种方式人受到的推力是一样的,但是根据动能定理,1kg石头获得的动能是2J,2kg石头获得的动能是1J,明显1kg的石头的动能更大,石头的动能哪来的呢?当然是来源于这个人的身体,石头的动能有什么用处吗?毫无用处,但是是必要的浪费。

很明显,相同的推力下,相比以较高的速度排出较少的气体,如果以较低的速度排出较多的气体,能量浪费更少,油耗也就更低,于是涡扇发动机出现了。

一开始出现的是小涵道比涡扇发动机(后面有名词解释),将双转子涡喷发动机的低压压气机叶片加长,相应的增大低压压气机机匣直径,并向后延伸至发动机尾端,就成了小涵道比涡扇发动机,当然,低压压气机也改名为风扇。风扇机匣延伸段与后面四个部件的机匣形成了一个环形流路,学名称 “外涵”,仍有一部分空气流经高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮,学名称“内涵”,外涵流量比上内涵流量就是涵道比。

涵道比的选择是速度和油耗(油耗决定航程)权衡的结果,涵道比越小,迎风面积越小,阻力越小,越适合高速,但是油耗越高,航程越短,反之亦然。如果把涡喷发动机和涡桨发动机看做是涡扇发动机的变种,那么这两种发动机就是涵道比选择的两个极端。

涵道比小于1的通常称为小涵道比涡扇发动机,一般用于对速度要求较高的战斗机,除了风扇、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮5大部件,通常还会带加力燃烧室,在紧急情况下急剧加速;涵道比大于1的通常称为大涵道比涡扇发动机,一般用于对速度要求较低的运输机。

大涵道比涡扇发动机的结构形式已较小涵道比涡扇发动机发生了很大的变化,先介绍结构最简单的双转子大涵道比涡扇发动机,由于外涵流量很大,风扇直径也就相应很大,低压涡轮无法带动多级大直径风扇,因此风扇减少为只有1级,风扇的压缩比较小涵道比涡扇发动机的风扇低了很多,毕竟小涵道比涡扇发动机有3~4级风扇,为了减小高压压气机的负担,在风扇后面的内涵,加了3~4级压气机,跟风扇在一个转子上,学名称“增压级”,由于风扇直径太大,为了避免叶尖超音速,低压转子转速不能太高,这样增压级的压缩比就很小,因此,即使增加了增压级,高压压气机的负担还是很大,一般要设计成10级左右(小涵道比涡扇发动机的高压压气机一般为6级左右),压缩比20左右。而且,低压转子转速不能太高,也就是说低压涡轮转速不能太高,还要输出很大的功率,意味着低压涡轮的输出扭矩要很大,只能增大低压涡轮直径,还要设计成很多级,一般4~7级,而小涵道比涡扇发动机的低压涡轮一般2级。

双转子大涵道比涡扇发动机主要由风扇/增压级、高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮5大部件组成,风扇/增压级和低压涡轮一个转子,高压压气机和高压涡轮一个转子,各主要部件之间的对话大致是这样的——

高压压气机:增压级这个“猪队友”,那么大块头,出那么点力,搞得我压力好大。

增压级:怪我咯,我还不是让风扇拖累的。

低压涡轮:就是,本来我短小精悍,可你看我现在又胖又长又慢。

风扇:我也不想长这么大,可是我如果变小了,燃烧室那小子要多喝好多油才可以维持咱们现在的功力,老板会不高兴的。

燃烧室:怎么感觉要怪到我头上,我的燃烧效率都快100%了,还想咋的?

高压涡轮:你们都消停点吧,这么多年了,就我的体型一直没变过。

前面说了,双转子大涵道比涡扇发动机的高压压气机一般要设计成10级左右,压缩比20左右,喘振的风险很高,对高压压气机气动设计和防喘振技术提出了很高的要求,GE在这方面做得最好,所以GE的大涵道比涡扇发动机一直采用双转子,RR则另辟蹊径,选择攻关三转子大涵道比涡扇发动机,也就是大名鼎鼎的RB211,“遄达”系列的老祖宗。提起RB211,不得不说一件逸事, RB211研制过程中,严重超预算,RR被迫破产重组,发动机部分被英国政府收购(后来正常运营后,又将股份卖给私人),而汽车部分,也就是大名鼎鼎的劳斯莱斯,卖给了宝马,为了筹集资金,还把“斯贝”发动机的技术卖给了我国,经过我国消化吸收,成为“秦岭”发动机,装备“飞豹”战机。

三转子大涵道比涡扇发动机主要由风扇、中压压气机(类似双转子大涵道比涡扇发动机中增压级的角色)、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮7大部件组成,风扇和低压涡轮一个转子,中压压气机和中压涡轮一个转子,高压压气机和高压涡轮一个转子。各个转子可以在各自合适的转速下工作,有了中压压气机这个靠谱的队友,高压压气机的负担也不用那么大了。但是,三转子有一个非常棘手的问题:

我们知道,每个转子至少要2个支点,每个支点包括轴承、润滑组件、减振组件、密封组件等,而且都要支撑在承力框架上,RR为了减少承力框架数量(否则重量太大),多个支点采用中介轴承的方式,中介轴承就是内、外环均支在转子上(一般轴承是内环支在转子上,外环支在静止件上),给润滑、减振、密封结构的设计带来了很大的困难,细微的结构不合理就会造成严重故障。但是RR终归走通了这条路,然后不断在RB211基础上加以改进,搞出“遄达”系列,在大涵道比涡扇发动机市场占了一席之地。

PW就比较悲催了,多级高压压气机不如GE,又不敢贸然涉足三转子,因此在大涵道比涡扇发动机市场混的最惨,但是PW卧薪尝胆十余年,重磅推出齿轮传动大涵道比涡扇发动机,在大涵道比涡扇发动机市场掀起一阵腥风血雨。

前面说了,双转子大涵道比涡扇发动机的增压级受风扇转速低所累,无法充分发挥其功力,低压涡轮也只能设计的又粗又长,但是在增压级和风扇之间加上一个减速齿轮箱之后,这个问题就迎刃而解了,风扇继续慢悠悠的转,增压级和低压涡轮可以飞快的转,增压级转的快了,压缩比就上去了,高压压气机的负担可以降下来,低压涡轮转的快了,直径可以减小,级数可以减少,实现其短小精悍的梦想,可谓皆大欢喜。

航空燃气涡轮发动机还包括涡桨、桨扇和涡轴。

涡扇发动机去掉风扇,低压涡轮带动减速器,减速器再带动螺旋桨,就成了涡桨发动机。

桨扇发动机可看作是涡扇发动机去掉了外机匣。

涡桨发动机的的减速器改为90度传动,就成了涡轴发动机。