轉(zhuǎn)自三維打擊07-06

航空發(fā)動(dòng)機(jī)，是被網(wǎng)民吐槽最多的兩種產(chǎn)品之一（另一種是芯片），下面帶各位認(rèn)識(shí)一下讓國(guó)人魂?duì)繅?mèng)繞的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，看看航空發(fā)動(dòng)機(jī)是怎樣一步步變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的。

一、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

萊特兄弟1903年發(fā)明飛機(jī)的時(shí)候，使用的是活塞式汽油機(jī)，與汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和基本構(gòu)造是相同的，只是單位重量的功率更大。由活塞式汽油機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳的槳葉的截面與飛機(jī)機(jī)翼相似，轉(zhuǎn)動(dòng)后可加速空氣，進(jìn)而與空氣產(chǎn)生作用力與反作用力，獲得向前的推力。此后近40年的時(shí)間里，活塞式汽油機(jī)一直是飛機(jī)的動(dòng)力，當(dāng)然，臨近二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，活塞式汽油機(jī)的功率已與1903年時(shí)不可同日而語(yǔ)，結(jié)構(gòu)形式主要有2種：

1. 星型發(fā)動(dòng)機(jī)，利用空氣冷卻，無(wú)需冷卻液，但是迎風(fēng)面積較大，一般用于運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)和艦載機(jī)。

2. V型發(fā)動(dòng)機(jī)，需要冷卻液，但是迎風(fēng)面積較小，一般用于路基戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，有一件裝置不得不說，那就是渦輪增壓器，20世紀(jì)初，瑞士人提出了渦輪增壓的概念，即利用活塞機(jī)廢氣的殘余能量，驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使空氣進(jìn)入氣缸之前就得到了預(yù)壓縮，此舉相當(dāng)于增大了氣缸的容積，可以使活塞內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生更大的功率，二戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用了渦輪增壓器，使得其飛機(jī)在高空依然能夠產(chǎn)生較大的功率，渦輪增壓器的渦輪和壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)形式及原理與離心式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和壓氣機(jī)基本一致。

二、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的學(xué)名是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)劃時(shí)代的發(fā)明并不是突然出現(xiàn)的，18世紀(jì)末世人就提出了燃?xì)鉁u輪機(jī)的工作過程，1920年德國(guó)制出第一臺(tái)能夠獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，20世紀(jì)30年代瑞士研制出地面發(fā)電用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，德國(guó)和英國(guó)分別研制了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的初級(jí)形式。

相對(duì)于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)有著壓倒性的優(yōu)勢(shì)，除了油耗較高外，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)有著重量輕（即使不算螺旋槳，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)也要輕于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，況且渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)不需要配合螺旋槳使用）、成本低（是的，最初的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，成本是低于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的）等優(yōu)點(diǎn)，最關(guān)鍵的是，使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，極限速度無(wú)法超過800km/h，因?yàn)樵谶@個(gè)速度下，螺旋槳葉尖已接近音速，想要再提高飛行速度，就得提高螺旋槳轉(zhuǎn)速，這時(shí)槳葉就會(huì)遇到可怕的音障，極易造成槳葉折斷、機(jī)毀人亡的事故，而使用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，可輕易突破音速，因此渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一面世，迅速取代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，成為絕大多數(shù)飛機(jī)的動(dòng)力裝置，目前，僅一些輕型飛機(jī)還使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，主要是直列或水平對(duì)置型。

德國(guó)研制的是軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，迎風(fēng)面積小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，并不是一個(gè)好的選擇。

英國(guó)研制的是離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，迎風(fēng)面積大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，是更好的選擇，因此二戰(zhàn)后初期美、蘇均采用了離心式發(fā)動(dòng)機(jī)，值得一提的是，美蘇最初裝備的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是從英國(guó)購(gòu)買的“尼恩”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要是由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪3大部件構(gòu)成，軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別就在壓氣機(jī)，一個(gè)用軸流式壓氣機(jī)，通過多級(jí)串聯(lián)，壓縮空氣，空氣沿軸向流入燃燒室，與燃油混合、燃燒后吹動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，然后高速排出，渦輪的作用是驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，另一個(gè)用離心式壓氣機(jī)，通過一個(gè)離心式葉輪，壓縮空氣，空氣折流90度后進(jìn)入燃燒室，后面跟軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致。需要說明的是，每級(jí)壓氣機(jī)和每級(jí)渦輪都是由一排轉(zhuǎn)葉和一排靜葉組成，只不過壓氣機(jī)是轉(zhuǎn)葉在前，靜葉在后，渦輪是靜葉在前，轉(zhuǎn)葉在后。

隨著對(duì)飛機(jī)速度要求的不斷提高，離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積大的缺點(diǎn)開始變得難以接受，并且技術(shù)的發(fā)展也解決了軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差的問題，因此大型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)開始紛紛轉(zhuǎn)向軸流式，只有渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用離心式，不過也不是完全的離心式，離心式葉輪前面，一般都會(huì)串一個(gè)軸流壓氣機(jī)。

通過卡諾定理得知，燃燒溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，一方面要提高渦輪的抗高溫能力，一方面要通過增加壓氣機(jī)級(jí)數(shù)和每級(jí)壓縮比來提高壓氣機(jī)的總壓縮比。但是，隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)和總壓縮比的不斷增加，喘振的問題出現(xiàn)了。

關(guān)于喘振，小編在此要多啰嗦幾句，喘振通俗講就是排氣不暢，多級(jí)軸流式壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的是各級(jí)在爬升、巡航等工作轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)匹配，很難兼顧到起動(dòng)到慢車（慢車即我們常說的怠速），以及慢車到工作轉(zhuǎn)速升轉(zhuǎn)過程中的氣動(dòng)匹配，級(jí)數(shù)越多，越難匹配，升轉(zhuǎn)過程中，后面幾級(jí)總是抱怨前面幾級(jí)轉(zhuǎn)的太快，送來太多貨物，沒法及時(shí)流轉(zhuǎn)出去，想要及時(shí)流轉(zhuǎn)出去，自己就得轉(zhuǎn)的更快，但是大家都在一根軸上，轉(zhuǎn)速是相同的，后面幾級(jí)轉(zhuǎn)的快了，前面幾級(jí)也轉(zhuǎn)的快了，運(yùn)來的貨物更多了，還是沒法及時(shí)流轉(zhuǎn)出去，沒法及時(shí)流轉(zhuǎn)出去的后果就是貨物堆積在后面幾級(jí)，堆積到一定程度，就會(huì)往前吐（嚴(yán)重時(shí)，會(huì)帶著燃燒室中的火焰一并吐出去），吐到前面確實(shí)會(huì)舒暢一會(huì)，但是發(fā)動(dòng)機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，馬上又有貨物來了，還是沒法及時(shí)流轉(zhuǎn)出去，于是再往前吐，如此循環(huán)，后果就是轉(zhuǎn)子軸向力不停變向，發(fā)動(dòng)機(jī)急劇振動(dòng)，很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成嚴(yán)重的損壞。

想必讀者很清楚了，喘振對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說是致命的，但工程師總是能想到解決辦法：

1. 前幾級(jí)靜葉設(shè)計(jì)為角度可調(diào)節(jié)，低轉(zhuǎn)速時(shí)關(guān)閉一定角度，減少向下游的貨物輸送量；

2. 中間放氣，在壓氣機(jī)中間某個(gè)部位設(shè)置放氣口，把部分貨物通過放氣口直接排往大氣，減少向下游的貨物輸送量；

3. 改為雙轉(zhuǎn)子，前面幾級(jí)轉(zhuǎn)的慢一些，后面幾級(jí)轉(zhuǎn)的快一些，各過各的好日子。

大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)是同時(shí)采取上述3種解決辦法，其中第3種解決辦法效果最明顯，因此后續(xù)出現(xiàn)了大量的雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪5大部件構(gòu)成，低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)能夠帶著飛機(jī)狂奔，但是油耗太高了，嚴(yán)重影響航程，還是不夠理想。打個(gè)比方，一個(gè)人站在冰道上，他身邊有兩排石頭，左手邊是1kg的，右手邊是2kg的，這個(gè)人通過每秒撿起1塊石頭向后扔的辦法使自己前進(jìn)，如果選擇1kg的，則以相對(duì)自身2m/s的速度扔，如果選擇2kg的，則以相對(duì)自身1m/s的速度扔，根據(jù)動(dòng)量守恒，這2種方式人受到的推力是一樣的，但是根據(jù)動(dòng)能定理，1kg石頭獲得的動(dòng)能是2J，2kg石頭獲得的動(dòng)能是1J，明顯1kg的石頭的動(dòng)能更大，石頭的動(dòng)能哪來的呢？當(dāng)然是來源于這個(gè)人的身體，石頭的動(dòng)能有什么用處嗎？毫無(wú)用處，但是是必要的浪費(fèi)。

很明顯，相同的推力下，相比以較高的速度排出較少的氣體，如果以較低的速度排出較多的氣體，能量浪費(fèi)更少，油耗也就更低，于是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了。

一開始出現(xiàn)的是小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（后面有名詞解釋），將雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)葉片加長(zhǎng)，相應(yīng)的增大低壓壓氣機(jī)機(jī)匣直徑，并向后延伸至發(fā)動(dòng)機(jī)尾端，就成了小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)然，低壓壓氣機(jī)也改名為風(fēng)扇。風(fēng)扇機(jī)匣延伸段與后面四個(gè)部件的機(jī)匣形成了一個(gè)環(huán)形流路，學(xué)名稱 “外涵”，仍有一部分空氣流經(jīng)高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪，學(xué)名稱“內(nèi)涵”，外涵流量比上內(nèi)涵流量就是涵道比。

涵道比的選擇是速度和油耗（油耗決定航程）權(quán)衡的結(jié)果，涵道比越小，迎風(fēng)面積越小，阻力越小，越適合高速，但是油耗越高，航程越短，反之亦然。如果把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)看做是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的變種，那么這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)就是涵道比選擇的兩個(gè)極端。

涵道比小于1的通常稱為小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，一般用于對(duì)速度要求較高的戰(zhàn)斗機(jī)，除了風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪5大部件，通常還會(huì)帶加力燃燒室，在緊急情況下急劇加速；涵道比大于1的通常稱為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，一般用于對(duì)速度要求較低的運(yùn)輸機(jī)。

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式已較小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了很大的變化，先介紹結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由于外涵流量很大，風(fēng)扇直徑也就相應(yīng)很大，低壓渦輪無(wú)法帶動(dòng)多級(jí)大直徑風(fēng)扇，因此風(fēng)扇減少為只有1級(jí)，風(fēng)扇的壓縮比較小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇低了很多，畢竟小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有3~4級(jí)風(fēng)扇，為了減小高壓壓氣機(jī)的負(fù)擔(dān)，在風(fēng)扇后面的內(nèi)涵，加了3~4級(jí)壓氣機(jī)，跟風(fēng)扇在一個(gè)轉(zhuǎn)子上，學(xué)名稱“增壓級(jí)”，由于風(fēng)扇直徑太大，為了避免葉尖超音速，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能太高，這樣增壓級(jí)的壓縮比就很小，因此，即使增加了增壓級(jí)，高壓壓氣機(jī)的負(fù)擔(dān)還是很大，一般要設(shè)計(jì)成10級(jí)左右（小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)一般為6級(jí)左右），壓縮比20左右。而且，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能太高，也就是說低壓渦輪轉(zhuǎn)速不能太高，還要輸出很大的功率，意味著低壓渦輪的輸出扭矩要很大，只能增大低壓渦輪直徑，還要設(shè)計(jì)成很多級(jí)，一般4~7級(jí)，而小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪一般2級(jí)。

雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要由風(fēng)扇/增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪5大部件組成，風(fēng)扇/增壓級(jí)和低壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子，各主要部件之間的對(duì)話大致是這樣的——

高壓壓氣機(jī)：增壓級(jí)這個(gè)“豬隊(duì)友”，那么大塊頭，出那么點(diǎn)力，搞得我壓力好大。

增壓級(jí)：怪我咯，我還不是讓風(fēng)扇拖累的。

低壓渦輪：就是，本來我短小精悍，可你看我現(xiàn)在又胖又長(zhǎng)又慢。

風(fēng)扇：我也不想長(zhǎng)這么大，可是我如果變小了，燃燒室那小子要多喝好多油才可以維持咱們現(xiàn)在的功力，老板會(huì)不高興的。

燃燒室：怎么感覺要怪到我頭上，我的燃燒效率都快100%了，還想咋的？

高壓渦輪：你們都消停點(diǎn)吧，這么多年了，就我的體型一直沒變過。

前面說了，雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)一般要設(shè)計(jì)成10級(jí)左右，壓縮比20左右，喘振的風(fēng)險(xiǎn)很高，對(duì)高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和防喘振技術(shù)提出了很高的要求，GE在這方面做得最好，所以GE的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一直采用雙轉(zhuǎn)子，RR則另辟蹊徑，選擇攻關(guān)三轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是大名鼎鼎的RB211，“遄達(dá)”系列的老祖宗。提起RB211，不得不說一件逸事， RB211研制過程中，嚴(yán)重超預(yù)算，RR被迫破產(chǎn)重組，發(fā)動(dòng)機(jī)部分被英國(guó)政府收購(gòu)（后來正常運(yùn)營(yíng)后，又將股份賣給私人），而汽車部分，也就是大名鼎鼎的勞斯萊斯，賣給了寶馬，為了籌集資金，還把“斯貝”發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)賣給了我國(guó)，經(jīng)過我國(guó)消化吸收，成為“秦嶺”發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備“飛豹”戰(zhàn)機(jī)。

三轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要由風(fēng)扇、中壓壓氣機(jī)（類似雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中增壓級(jí)的角色）、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪7大部件組成，風(fēng)扇和低壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子，中壓壓氣機(jī)和中壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪一個(gè)轉(zhuǎn)子。各個(gè)轉(zhuǎn)子可以在各自合適的轉(zhuǎn)速下工作，有了中壓壓氣機(jī)這個(gè)靠譜的隊(duì)友，高壓壓氣機(jī)的負(fù)擔(dān)也不用那么大了。但是，三轉(zhuǎn)子有一個(gè)非常棘手的問題：

我們知道，每個(gè)轉(zhuǎn)子至少要2個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)包括軸承、潤(rùn)滑組件、減振組件、密封組件等，而且都要支撐在承力框架上，RR為了減少承力框架數(shù)量（否則重量太大），多個(gè)支點(diǎn)采用中介軸承的方式，中介軸承就是內(nèi)、外環(huán)均支在轉(zhuǎn)子上（一般軸承是內(nèi)環(huán)支在轉(zhuǎn)子上，外環(huán)支在靜止件上），給潤(rùn)滑、減振、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，細(xì)微的結(jié)構(gòu)不合理就會(huì)造成嚴(yán)重故障。但是RR終歸走通了這條路，然后不斷在RB211基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，搞出“遄達(dá)”系列，在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占了一席之地。

PW就比較悲催了，多級(jí)高壓壓氣機(jī)不如GE，又不敢貿(mào)然涉足三轉(zhuǎn)子，因此在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)混的最慘，但是PW臥薪嘗膽十余年，重磅推出齒輪傳動(dòng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)掀起一陣腥風(fēng)血雨。

前面說了，雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級(jí)受風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低所累，無(wú)法充分發(fā)揮其功力，低壓渦輪也只能設(shè)計(jì)的又粗又長(zhǎng)，但是在增壓級(jí)和風(fēng)扇之間加上一個(gè)減速齒輪箱之后，這個(gè)問題就迎刃而解了，風(fēng)扇繼續(xù)慢悠悠的轉(zhuǎn)，增壓級(jí)和低壓渦輪可以飛快的轉(zhuǎn)，增壓級(jí)轉(zhuǎn)的快了，壓縮比就上去了，高壓壓氣機(jī)的負(fù)擔(dān)可以降下來，低壓渦輪轉(zhuǎn)的快了，直徑可以減小，級(jí)數(shù)可以減少，實(shí)現(xiàn)其短小精悍的夢(mèng)想，可謂皆大歡喜。

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還包括渦槳、槳扇和渦軸。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)去掉風(fēng)扇，低壓渦輪帶動(dòng)減速器，減速器再帶動(dòng)螺旋槳，就成了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)可看作是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)去掉了外機(jī)匣。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的的減速器改為90度傳動(dòng)，就成了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。