涡扇发动机的工作原理及应用综述

陈建军

重庆市巴南职业教育中心 重庆市 401320

1 引言

涡轮发动机是一种常用的飞机发动机，其是利用旋转的机件自穿过它得流体中汲取动能的发动机形式，属于内燃机的范畴。相较于其它发动机，涡轮发动机的优势在于能欧在不增加发动机排量的基础上，极大的提升发动机的功率。此外，其还具备节省燃油、降低排放等优点。但是由于其风扇直径较大，其迎风面积也相对较大，因此受到的阻力也高于其它发动机。且这种发动机的结构十分复杂，设计工作难度较高。因此探究涡扇发动机的工作原理和应用具有十分重要的积极意义。

2 涡扇发动机的发展背景和具体分类介绍

传统飞机常用的发动机类型为活塞式发动机，当其飞行速度和音速接近的情况下，其飞行阻力会出现大幅度的提升，对此，人们对发动机的重量和尺寸进行了增加。其后随着燃气涡轮发动机的发展应用，燃气涡轮发动机不仅重量较低，且突破了音障的限制，因此其开始广泛应用于各式飞机中，并且随着应用的不断深入，逐渐衍生出多种不同的类型，于是传统的发动机形式因劣势过于明显逐渐被废弃。经过长期的发展，燃气涡轮式发动机已经具备多种类型，如涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机等。除了这些还存在其它多种类型，在此不一一列举。

其中涡扇发动机是由涡轮螺旋桨发动机衍生发展而来的，同时其在结构上则和涡轮喷气式发动机存在类似之处。在对涡扇发动机进行分类时，存在多项分类标准，例如以涵道比的高低为分类标准，可以将其分成大涵道比涡扇发动机和小涵道比涡扇发动机。相较于传统的发动机，涡扇发动机具有推力大、效率高、噪音低、油耗低，飞行航程远等优势，但其同样存在一定的缺陷，如风扇直径较大、结构复杂，设计难度高等。

3 涡扇发动机的组成结构分析

一般情况下，涡扇发动机由进气道、压气机、涡轮、风扇、燃烧室以及尾喷管等部件构成，本文将选取小涵道比涡扇发动机为例，对涡扇发动机的结构进行详细介绍，下图为小涵道比涡扇发动机的结构图。

3.1 进气道

涡扇发动机的进气道处于机体的最前端，连接着飞机进口和涡扇发动机，是空气进入的唯一通道，其主要作用是将外部进入的空气输送给发动机。此外，飞机在高速飞行状态下，进气道还能够对进入的空气进行减速增压处理。通常情况下，可以将进气道分成亚音速进气道超音速进气道两种类型。二者可以通过外形上的差异进行区分，其中前缘为钝圆形的是亚音进气道，能够起到集中进气口气流的作用。而前缘呈尖锐形的则是超音速进气道。此外，可以对超音速进气道进一步细分，包括外压式、内压式和混压式三种类型。

图1 小涵道比涡扇发动机结构图

3.2 风扇

上文中提到，涡扇发动机是在涡轮螺旋桨发动机的基础上衍生发展而来的，其风扇部件就是最显著的体现。涡扇发动机的风扇是涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨经过直径缩短、变形以及增加桨叶数量等改造操作之后得到的，同时使用机匣将所有的桨叶叶片容纳起来。在涡扇发动机中，风扇的主要作用是对进入的空气进行压缩增压，之后通过内外涵道输送到发动机后方。涡扇发动机的外函推力完全来自于风扇所产生的推力，因此风扇性能的优劣很大程度上决定了涡扇发动机的性能。

3.3 压气机

在涡扇发动机中，压气机的主要作用是对流过的空气进行增压处理，其主要是通过高速旋转的叶片完成这项处理，因此必须满足振动强度和刚性的要求，且为了保障其正常运行，在设计阶段，必须尽可能的扩大其稳定工作范围。以压气机的结构形式和气流流动特点为依据，可以将其分成离心式压气机、混合式压气机以及轴流式压气机三种类型。同时，根据转子数量的不同也可以对其进行分类，分别是低压压气机、中压压气机以及高压压气机。

其中轴流式压气机主要包括转子和静子两个部分，二者都是由多排叶片交错排列构成的，转子和涡轮轴俩连接在一起，静子则固定在外部的机匣上，二者通过相对运动对空气进行压缩，以此达到提升空气压力的效果。

当前阶段，涡扇发动机的压气机普遍采用的是轴流式压气机，这种压气机具有体积小、流量大、单位效率高等众多优势。但是在一些特殊情况下，离心式压气机也得到了一定的应用，虽然它的重量较高，且效率偏差，但这时人们看重的是离心压气机工作稳定、结构简单以及单机增压比高等特点。

3.4 燃烧室

涡扇发动机燃烧室的主要功能是将燃烧的化学能转化为热能，燃料在燃烧的过程中会放出大量的热能，对流经的空气进行加热处理。为了保障燃烧室的稳定运行，其必须满足以下几项条件：点火和启动可靠；火焰稳定；燃烧效率高；总压损失小；排放污染低。燃烧室主要可以分成分管燃烧室、环管燃烧室以及环形燃烧室等几种类型，它们之间的差异主要体现在火焰筒的排列和连接方式上。

燃烧室工作过程中所使用的空气全部来自于涡扇发动机的压气机，是经过压气机增压处理之后的空气。其中一小部分从火焰筒的头部和上面小孔进入到燃烧室中，为燃料燃烧提供条件。其余部分则从火焰筒外的通道流过，起到降温冷却的效果。

3.5 涡轮

在涡扇发动机运行过程中，涡轮主要负责的是将燃烧室出口的高温高压燃气热焓转化为机械功，因此涡轮必须具备在高温高压环境下稳定运行的能力，这一点在涡轮设计中必须给予充分考虑。经过涡轮转化为获得的机械功能够为压气机的运行提供动力。涡轮主要包括两种分类体系，其一是以结构形式和气流流动特点为依据，分为轴流式和径向式涡轮。其二则是根据转子数量的不同，分成低、中、高压力涡轮。

3.6 尾喷管

尾喷管属于涡扇发动机的排气系统，主要功能是将涡轮出口高温燃气的焓转化为动能，从而产生强大的推力。在设计阶段，必须满足以下要求：流动损失小；燃气膨胀完全；喷出气流为轴向。在对尾喷管进行分类的过程中，存在两种依据，其一为使用条件，据此可分为收敛型尾喷管和收扩型尾喷管。其二为排气方向，可分为直流式尾喷管和推理矢量尾喷管。由于尾喷管的位置处于涡扇发动机的最末端，因此经过风扇、压气机、燃烧室、涡轮等部位的空气只有经过尾喷管排出才能形成推动飞机向前飞行的推力。

4 涡扇发动机的工作原理

4.1 主要性能参数

其一，涵道比。涡扇发动机的涵道比指的是其外涵道和内涵道空气流量的比值，涵道比的大小直接决定了其应用领域。例如涵道比较高的发动机广泛应用于客机、运输机等机型。而低涵道比发动机则广泛应用于超音速飞行，如战斗机型。

其二，推力。推力指的是涡扇发动机运行时产生的推动力，主要是由高压气体喷出形成的。

其三，单位燃油消耗率。涡扇发动机燃油质量流量与发动机推力的比值即为单位燃油消耗率。

其四，效率。涡扇发动机的效率指标内容广泛，其中最主要的是热效率，反映了燃油化学能的利用率，可用于涡扇发动机经济性优劣的判断。

4.2 涡扇发动机的工作原理

涡扇发动机运行过程中，空气经由发动机前端的进气道进入到发动机中，首先由压气机进行压缩处理，之后输送到燃烧室通过和染料的混合燃烧形成高温高压气体，之后通过涡轮将热焓转化为机械能，提供压气机旋转的动力。最后，做功后的气体和外涵道的气体一起喷出，推动飞机前行。

5 结语

综上所述，涡扇发动机是一种较为常用的飞机发动机，本文从其具体组成结构切入，分别分析阐述了其涡轮、尾喷管、风扇等部件的功能、构成以及具体分类，在此基础上从整体角度护法，对涡轮发动机的性能参数和常见工作状态进行了列举阐述，希望能够为涡轮发动机的合理应用以及改进升级提供一定得参考借鉴。