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渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

請(qǐng)分別介紹一下: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-03-05

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渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) 在單個(gè)流道內(nèi),渦輪出口燃?xì)庵苯釉趪姽苤信蛎?使燃?xì)饪捎媚芰哭D(zhuǎn)變?yōu)楦咚賴娏鞯膭?dòng)能而產(chǎn)生反作用力的發(fā)動(dòng)機(jī)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī). 　渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 核心機(jī)出口燃?xì)庠诘蛪簻u輪中進(jìn)一步膨脹做功,用于帶動(dòng)外涵風(fēng)扇，使外涵氣流的噴射速度增大，剩下的可用能量繼續(xù)在噴管中轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚賴娏鞯膭?dòng)能。渦扇氣流通道有兩個(gè)：內(nèi)涵和外涵。內(nèi)涵要經(jīng)過(guò)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴口；外涵直接通過(guò)風(fēng)扇后排出。如果是帶加力的發(fā)動(dòng)機(jī)（如F-22等軍用飛機(jī)的的發(fā)動(dòng)機(jī)：F-119等）那外涵氣流還要經(jīng)過(guò)加里燃燒室?，F(xiàn)在民航幾乎沒(méi)有使用渦噴的（亞音速是經(jīng)濟(jì)性不好），CFM56,GE90,PW4000,RB211,Trent等，都是典型的不帶加力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。渦噴氣流通道只有一個(gè)。高速的時(shí)候效率較高。但是，十分廢油。現(xiàn)在連戰(zhàn)斗機(jī)都很少用純渦噴的。早期的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦噴居多。如 707 用的 JT3D 就是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高，油耗低，因而能夠獲得較大的推重比。這些是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論如何都難以達(dá)到的。其實(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)是基本相同的，所不同的是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了幾級(jí)渦輪，這些渦輪帶動(dòng)一排或幾排風(fēng)扇，風(fēng)扇后的氣流一部分進(jìn)入壓氣機(jī)（內(nèi)涵道），燃燒后從噴口噴出，另一部分則不經(jīng)過(guò)燃燒，而通過(guò)外涵道直接排到空氣中。所以，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是風(fēng)扇抗力和噴口推力的總和 [技術(shù)難點(diǎn)] 1、高壓比壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)（主要包括壓氣機(jī)三維設(shè)計(jì)技術(shù)、大小葉片設(shè)計(jì)技術(shù)、彎掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)、多級(jí)壓氣機(jī)級(jí)間匹配技術(shù)）； 2、高溫升高熱容低污染燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)（主要包括無(wú)污染燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)、浮壁燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、帶化學(xué)反應(yīng)的非定常三維燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)、高效低阻火焰穩(wěn)定器及噴嘴設(shè)計(jì)技術(shù)）；　 3、發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)密封技術(shù)（主要包括刷式密封技術(shù)、光刻"指尖"封嚴(yán)技術(shù)、端面氣膜封嚴(yán)技術(shù)）；　 4、高溫高負(fù)荷渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)（主要包括強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)技術(shù)、超冷/鑄冷技術(shù)、可控渦設(shè)計(jì)、復(fù)合傾斜葉片設(shè)計(jì)技術(shù)、三維粘性非定常渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)）；　 5、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)（主要包括全權(quán)數(shù)字電子控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)智能控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)）?！? [國(guó)外概況] 渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是軍用戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)、轟炸機(jī)、教練機(jī)和民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿Α０雮€(gè)多世紀(jì)以來(lái)，渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高很大。服役中的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比從2提高到7-8，正在研制中的達(dá)9-10，并即將投入使用。民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力已超過(guò)40000daN，巡航耗油率從50年代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)1.0kg/（daN·h）下降到0.55kg/（daN·h）。在性能提高的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和耐久性也有很大改善。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車率一般為0.2-0.4/1000發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)，民用發(fā)動(dòng)機(jī)為0.002-0.02/1000發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零件壽命為2000h，民用發(fā)動(dòng)機(jī)為20000-30000 h?！? 根據(jù)美國(guó)在80年代初組織有關(guān)專家對(duì)2000年航空技術(shù)預(yù)測(cè)的結(jié)果，認(rèn)為在氣動(dòng)熱力學(xué)、耐高溫輕重量材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)方面已取得的和將要取得的巨大進(jìn)步，為在保持已經(jīng)達(dá)到的可靠性和耐久性水平上大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。后來(lái)，美國(guó)空軍發(fā)起綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃?？哲姟⒑＼?、陸軍、國(guó)防部預(yù)研局、NASA和七家主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都參與了這項(xiàng)計(jì)劃。計(jì)劃總的目標(biāo)是到2003年使航空推進(jìn)系統(tǒng)能力翻一番，即推重比或功率重量比增加100%-120%，耗油率下降30%-40%。生產(chǎn)和維修成本降低35%-60%?！?為了同美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，以英國(guó)為主，意大利和德國(guó)參與共同實(shí)施了先進(jìn)核心軍用發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃的第二階段（ACME-Ⅱ），英國(guó)和法國(guó)又聯(lián)合實(shí)施了先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（AMET）計(jì)劃。ACME-Ⅱ的目標(biāo)是在2000年后不久驗(yàn)證推重比20、耗油率低30%、制造成本低30%和壽命期費(fèi)用低25%的技術(shù)，而AMET的目標(biāo)是到2001年驗(yàn)證推重比15的技術(shù)，并在以后幾年中提高到18?！? 1、現(xiàn)役軍用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　自1973年美國(guó)普·惠公司研制成功首臺(tái)推重比8一級(jí)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)，相繼又有美國(guó)通用電氣公司的F404和F110、西歐三國(guó)聯(lián)合研制的RB.199、法國(guó)的M53和原蘇聯(lián)的РД33和АЛ31-Ф投入使用。它們已成為現(xiàn)役一線戰(zhàn)斗機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。除法國(guó)的M53為單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)且推重比只有6.2外，其余均為雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比為7.0-8.0。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃的持續(xù)實(shí)施并不斷獲得新技術(shù)成果。這些新技術(shù)既可用來(lái)改進(jìn)使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)，又可構(gòu)成全新研制中的推重比9-10發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，并不斷向更高的目標(biāo)--推重比20發(fā)展。預(yù)計(jì)，推重比15-20一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)將于2015-2020年期間研制成功，并將與第五代戰(zhàn)斗機(jī)配套投入使用?！? （1）現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型　為了滿足未來(lái)空軍多用途戰(zhàn)斗機(jī)（MRF）和海軍攻擊機(jī)以及原有F-15、F-16和F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)一步改型的需要，對(duì)F100、F110和F404發(fā)動(dòng)機(jī)正在實(shí)施提高推力和推重比的改型工作?！?F100的改型為F100-PW-229A，已驗(yàn)證的推力高達(dá)16530daN，推重比9.5。　 F110的改型為F110-GE-129EFE，已經(jīng)驗(yàn)證的推力達(dá)16210daN，推重比為9.5?！?F404推力增大Ⅲ型（后重新編號(hào)為F414-GE-400）。F414的推力為9680-10700daN，推重比為9.0-9.5。它的渦輪前溫度將提高167K，空氣流量增加10%，壓氣機(jī)和渦輪效率將提高2%。采用的新技術(shù)有風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)、多斜孔冷卻燃燒室、高功量高溫渦輪、軸對(duì)稱或二元矢量噴管和帶光纖控制部件的先進(jìn)全權(quán)數(shù)字電子控制（FADEC）等。其中許多技術(shù)是從通用電氣公司的YF120發(fā)動(dòng)機(jī)和綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃中得來(lái)的。F414的研制工作已經(jīng)完成，將在2000年裝在F-18E/F戰(zhàn)斗機(jī)上投入使用?！? （2）全新研制的推重比9-10渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　從80年代中期起，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始為第四代戰(zhàn)斗機(jī)研制新一代的發(fā)動(dòng)機(jī)。但技術(shù)發(fā)展和驗(yàn)證以及系統(tǒng)要求的論證工作開(kāi)始得更早。目前，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)已處于工程和制造研制階段的后期，生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)已交付試飛，在本世紀(jì)末或下世紀(jì)初投入使用。它們是美國(guó)普·惠公司的F119、英國(guó)等西歐四國(guó)聯(lián)合研制的EJ200和法國(guó)的M88。俄羅斯也有研制水平相當(dāng)?shù)腁Л-41中發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃，但由于缺乏資金，進(jìn)度會(huì)往后拖。　（3）21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　 A、推重比15-20的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方案　根據(jù)正在實(shí)施中的以IHPTET計(jì)劃為代表的預(yù)研工作進(jìn)展情況，預(yù)計(jì)在2015-2020年將有可能實(shí)現(xiàn)推重比15-20的戰(zhàn)斗機(jī)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這種常規(guī)的中等壓比戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)形與目前使用中的F100發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：　 · 風(fēng)扇由3級(jí)減為1級(jí)，葉片帶彎掠，且為空心結(jié)構(gòu)?！? · 壓氣機(jī) 由9級(jí)減為3級(jí)。轉(zhuǎn)子為鼓筒式無(wú)盤結(jié)構(gòu)，由鈦基復(fù)合材料制成。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，可減輕重量達(dá)70%?！? · 燃燒室火焰筒材料由耐熱合金改為陶瓷基復(fù)合材料。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)大大減小出口溫度分布系數(shù)。有可能實(shí)現(xiàn)變幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)出口溫度場(chǎng)主動(dòng)控制?！? · 渦輪高、低壓渦輪均為單級(jí)，且為對(duì)轉(zhuǎn)。在仍采用金屬材料的條件下，整體葉盤結(jié)構(gòu)可減重30%。最終渦輪前溫度將高達(dá)2200K以上，此時(shí)將采用陶瓷基復(fù)合材料或碳-碳材料。　 · 加力燃燒室由于渦輪進(jìn)口溫度很高，即使以下限2200K計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力也比F100高70%-80%，因而新發(fā)動(dòng)機(jī)很可能不采用加力燃燒室?！? · 尾噴管將采用固定結(jié)構(gòu)的射流控制全方位矢量噴管?！? 正在研究中的還有一種帶中間冷卻的偏置核心機(jī)方案，它適用于壓比為50-70的不帶加力作超音速巡航的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)?！? B、超音速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　目前，世界上只有兩種亞音速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)在服役，一種是英國(guó)研制的"鷂"式戰(zhàn)斗機(jī)，另一種是前蘇聯(lián)研制的雅克-38。前者裝一臺(tái)有四個(gè)旋轉(zhuǎn)噴管的"飛馬"渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇出口氣流由前面兩噴管噴出，核心氣流由后面兩個(gè)噴管噴出。后者裝一臺(tái)推力為8000daN的АЛ-21不加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)馔ㄟ^(guò)可轉(zhuǎn)向的噴管噴出，另有兩臺(tái)單臺(tái)推力為3500daN的РД-36-35升力發(fā)動(dòng)機(jī)提供升力?！?自60年代以來(lái)，對(duì)于超音速垂直/短距起落戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力裝置的研究工作一直在進(jìn)行之中，但規(guī)模較小。近來(lái)，隨著美、英兩國(guó)政府發(fā)布聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的概念驗(yàn)證招標(biāo)書，先進(jìn)短距起飛/垂直著陸飛機(jī)集中到洛克希德·馬丁公司方案和波音公司方案。這兩家公司都選用普·惠公司的F119-PW-100的改型為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。洛克希德·馬丁公司的方案是主發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)軸系驅(qū)動(dòng)置于座艙后的對(duì)轉(zhuǎn)升力風(fēng)扇，風(fēng)扇升力為8000daN，其噴管可向后60°，向前20°，向左和向右各8°偏轉(zhuǎn)。主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管為軸對(duì)稱轉(zhuǎn)向噴管，用以提供附加升力。主發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇放氣通向置于機(jī)翼的操縱噴管，在低速時(shí)進(jìn)行橫滾操縱。波音公司的方案是主發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通過(guò)設(shè)在機(jī)身中部的兩個(gè)可收放升力噴管產(chǎn)生升力。在前飛時(shí)，這兩個(gè)噴管收起并關(guān)閉，前面還有一個(gè)通壓氣機(jī)排氣的噴管，產(chǎn)生射流屏作配平控制和防止發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)入進(jìn)氣道用。主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝二元俯仰推力矢量噴管，在側(cè)向有兩個(gè)偏航控制噴管。機(jī)翼兩側(cè)還設(shè)有橫滾操縱噴管?！?通用電氣公司的F120發(fā)動(dòng)機(jī)被選為F119的替換發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)度比F119晚1年半。如果進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)JSF的批生產(chǎn)將于2008-2010年開(kāi)始?！? 2、運(yùn)輸機(jī)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)展是過(guò)去40年中亞音速運(yùn)輸機(jī)性能改進(jìn)的主要因素。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于不斷提高渦輪進(jìn)口溫度、總壓比、涵道比，改進(jìn)風(fēng)扇和短艙性能，降低噪聲和污染，改善可靠性，而成為世界民用運(yùn)輸機(jī)的最主要?jiǎng)恿π问?，運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)耗油率已降低60%。　（1）現(xiàn)役和研制中的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)　由于運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力級(jí)很寬，下面將按20000daN以上，10000-20000daN和10000daN以下三類分別說(shuō)明現(xiàn)役和研制中的發(fā)動(dòng)機(jī)。　 A、20000daN以上的發(fā)動(dòng)機(jī)　自70年代初，第一代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D、CF6和RB211投入使用以來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了大型寬體噴氣客機(jī)的新時(shí)代，其耗油率比第一代民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)降低20%。其間，美國(guó)NASA實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)部件改進(jìn)（ECI）和節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)（EEE）計(jì)劃，目標(biāo)分別是降低耗油率5%和12%。在80年代初這些計(jì)劃完成時(shí)，其成果用于發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型和新型號(hào)研制，如普·惠公司研制PW4000以取代JT9D?！?90年代初，為滿足雙發(fā)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)B777的需要，普·惠公司、羅·羅公司和通用電氣公司開(kāi)始研制推力超過(guò)32000daN的PW8084、遄達(dá)800和GE90，前兩種為改型，GE90為全新設(shè)計(jì)。這三種發(fā)動(dòng)機(jī)于1995年先后裝在B777上投入使用。它們的技術(shù)特點(diǎn)有：采用高的循環(huán)參數(shù)，即涵道比、總增壓比和渦輪前溫度都較高；輕重量的寬弦無(wú)凸肩風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)，其中GE90采用全復(fù)合材料；高效的全三維葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)；低污染的雙環(huán)腔燃燒室；帶主動(dòng)間隙控制的高、中、低壓渦輪；長(zhǎng)壽命零件，如遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端零件壽命達(dá)40000-70000h，熱端達(dá)20000-40000h等?！? B、10000-20000daN的發(fā)動(dòng)機(jī)　在70年代初期和中期，CFM國(guó)際公司（CFMI）和國(guó)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（IAE）為滿足新一代130-150座級(jí)客機(jī)的需要，先后開(kāi)始研制CFM56和V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，起始推力為11000daN，并先后于1979年和1988年取得適航證。其后，通過(guò)不斷改進(jìn)改型，提高性能，擴(kuò)大用途，推力提高到15000daN左右，可用于150-250座級(jí)的客機(jī)。此外，羅·羅公司和普·惠公司又分別研制RB211-535和PW2000系列發(fā)動(dòng)機(jī)，于1983年和1984年投入使用。它們的推力為16000-19000daN，主要用于B757客機(jī)。最近，普·惠公司開(kāi)始研制PW8000齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為11000-16000daN，涵道比11，耗油率降低9%，使用費(fèi)用和維修費(fèi)用分別降低10%和30%。它將為21世紀(jì)初的120-180座級(jí)飛機(jī)提供動(dòng)力?！? C、10000daN以下的發(fā)動(dòng)機(jī)　這里主要介紹用于新一代100-130座級(jí)干線客機(jī)的動(dòng)力裝置。目前，寶馬/羅·羅公司、CFM國(guó)際公司和普·惠公司正在研制6000-10000daN推力的BR715、CFM56-9和PW6000大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)可在本世紀(jì)末投入使用。　（2）21世紀(jì)的運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)　 A、亞音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)　 21世紀(jì)亞音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將向兩個(gè)方向發(fā)展；一是采用超大涵道比循環(huán)，旨在提高推進(jìn)效率；二是高循環(huán)參數(shù)核心機(jī)，旨在提高熱效率。預(yù)計(jì)與90年代中期發(fā)動(dòng)機(jī)相比，到2005年投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)將使油耗降低15-20%，飛機(jī)直接使用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是軍用飛機(jī)和民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的提高對(duì)于提高軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)效能，改善民用客機(jī)的性能都發(fā)揮重要作用。 [影響] 渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是軍用飛機(jī)和民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的提高對(duì)于提高軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)效能，改善民用客機(jī)的性能都發(fā)揮重要作用。: 回答者：網(wǎng)友

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