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噴管與加力

尾噴管是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的末端，流經(jīng)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪的空氣只有通過噴管排出了發(fā)動(dòng)機(jī)之外才能產(chǎn)生真正的推力以推動(dòng)飛機(jī)飛行。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣有二部分，一部分是外涵排氣，一部分是內(nèi)涵排氣。所以相應(yīng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣方式也就分成了二種，一種是內(nèi)外涵的分開排氣，一種是內(nèi)外涵的混合排氣。兩種排氣方式各有優(yōu)劣，所以在現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上兩種排氣方式都有使用?？偟膩碚f，在高函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上大多采有內(nèi)外函分開排氣，在低函道比的戰(zhàn)斗機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上都采用混合排氣的方式，而在中函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上兩種排氣方式都有較多的使用。

對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來說，函道比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)其用油也就更省推力也更大。其原因就是內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī)把比較多的能量傳遞給了外函風(fēng)扇。在混合排氣的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，內(nèi)函較熱的排氣會(huì)給外函較冷的排氣加溫，進(jìn)一步的用氣動(dòng)--熱力過程把能量傳遞給外函排氣。所以從理論上來說，內(nèi)外函的混合排氣會(huì)提高推進(jìn)效率使燃油消耗進(jìn)一步降低，而且在實(shí)際上由于混合排氣可以降底內(nèi)函較高排氣速度，所以在當(dāng)飛機(jī)起降時(shí)還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪音?？墒窃趯?shí)際操作的過程中，高函道的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒有使用混合排氣的例子，一般都采用可以節(jié)省重量的短外函排氣。

進(jìn)行內(nèi)外函的混合排氣到當(dāng)前為止只有兩種方法一種是使用排氣混合器，一種是使用長外函道進(jìn)行內(nèi)外函排氣的混合。在使用排氣混合器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)增加一部分排氣混合器的重量，而且由于排氣要經(jīng)過排氣混合器所以發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣會(huì)產(chǎn)生一部分總壓損失，這兩點(diǎn)不足*可以抵消掉混合排氣所帶來的好處。而長外函排氣除了要付出重量的代價(jià)之外其排氣的混合也不是十分的均勻。所以除了在戰(zhàn)斗機(jī)上因結(jié)構(gòu)要求而采用外則很少有采用。

在戰(zhàn)斗機(jī)上除了有長外函進(jìn)行內(nèi)外函空氣混合之外一般都還裝有加力裝置來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的大可用推力。

所謂加力就是在內(nèi)函排氣和外函排氣中再噴入一定數(shù)量的燃油進(jìn)行燃燒，以燃油的損失來換取短時(shí)間的大推力。到當(dāng)前為此只有在軍飛機(jī)和極少數(shù)要求超音速飛行的民用飛機(jī)上使用了加力。由于各種飛機(jī)的使命不同對(duì)加力燃料的要求也是不同的。比如對(duì)于純粹的截?fù)魬?zhàn)斗機(jī)如米格25來說，在進(jìn)行戰(zhàn)斗起飛時(shí)，其起飛、爬升、奔向戰(zhàn)區(qū)、空戰(zhàn)等等都要求發(fā)動(dòng)機(jī)用大的推力來驅(qū)動(dòng)飛機(jī)。其戰(zhàn)斗起飛時(shí)使用加力的時(shí)間差不多達(dá)到了整個(gè)飛行時(shí)間的百分之五十。而對(duì)于F-15之類的空優(yōu)戰(zhàn)斗機(jī)來說在*起飛時(shí)只有在起飛和進(jìn)行空中格斗時(shí)使用加力，因此其加力的使用使時(shí)長只占其飛行時(shí)間的10%不到。而在執(zhí)行純粹的對(duì)地攻擊任務(wù)時(shí)其飛機(jī)要求時(shí)用加力的時(shí)間連百分之一都不到，所以在強(qiáng)擊機(jī)上干脆就不安裝加力裝置以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和長度。

加力燃燒是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的一個(gè)重要手段。如今我們所說的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比都是按照加力推力來計(jì)算的。如果不按照加力推力來計(jì)算F-100-PW-100的推重比只有4.79連5都沒有達(dá)到！為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的大推力，人們?nèi)缃褚话愣荚诓捎脙?nèi)外函排氣同時(shí)參與加力燃燒的混合加力。

但當(dāng)加力燃燒在大幅度的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力的時(shí)候，所負(fù)出的代價(jià)就是燃油的高消耗。還是以F-100-PW-100為例其在全加力時(shí)的推力要比無加力時(shí)的大推力高66%可是加力的燃油消耗卻是無加力時(shí)的281%。這樣高的燃油消耗在起飛和進(jìn)行空中格斗時(shí)還可以少少的使用一下，如要進(jìn)行長時(shí)間的超音速飛行的話飛機(jī)的*半徑將大大縮短。

針對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能的不足，人們又提出了變循環(huán)方案和外函加力方案。所謂變循環(huán)就是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的函道比在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。比如與F-119競爭F-22動(dòng)力的YF-120發(fā)動(dòng)機(jī)就是一種變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。他的函道比可以0-0.25之間可調(diào)。這樣就可以在要求高航速的時(shí)候把函道比縮至小，使渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)楦咚傩阅芎玫臏u噴發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)復(fù)雜，要增加一部分重量，而且費(fèi)用高、維護(hù)不便，于是YF-120敗與F-119手下。

由于混合加力要求內(nèi)外函排氣都參與加力燃燒，這樣所需要的燃油也較多，于是人們又想到了內(nèi)外函分開排氣，只使用外函排氣參加加力燃料的方案。但外函排氣的溫度比較低，所以組織燃燒相對(duì)的困難。當(dāng)前只有少數(shù)使用，通常是要求長時(shí)間開加力的發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)采用這種結(jié)構(gòu)。 [4] 

發(fā)展歷史

編輯

研發(fā)

在五十年代未、六十年代初，作為航空動(dòng)力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。?dāng)時(shí)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)總增壓比已經(jīng)可以達(dá)到14左右，而渦輪前的溫度也已經(jīng)達(dá)到了1000℃的水平。在這樣的條件下，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行部分的能量輸出已經(jīng)有了可能。而當(dāng)時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求又是那樣的迫切，人們很自然地想到了通過給渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加裝風(fēng)扇以提高迎風(fēng)面積增大空氣流量，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。

當(dāng)時(shí)人們通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，以當(dāng)時(shí)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平，在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加裝了風(fēng)扇變成了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之后，其技術(shù)性能將有很大的提高。當(dāng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇空氣流量與核心發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量大至相當(dāng)時(shí)（函道比1:1），發(fā)動(dòng)機(jī)的地面起飛推力增大了百分之四十左右，而高空巡航時(shí)的耗油量卻下降了百分之十五，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到了*的提高。

這樣一種有著渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)無法比及優(yōu)點(diǎn)的新型航空動(dòng)力理所當(dāng)然地得到了西方各強(qiáng)國的*重視。各國都投入了*的人力、物力和熱情來研究試制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)初研制的道路上英國人走在了美國人之前。英國的羅爾斯·羅伊斯公司從1948年就開始就投入了相當(dāng)?shù)木硌兄扑麄兊?ldquo;康維”渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。1953年“康維”進(jìn)行了*次地面試車。又經(jīng)過了六年的精雕細(xì)刻，直到1959年3月，“康維MK-508”才終定型。這個(gè)經(jīng)過十一年孕育的難產(chǎn)兒有著當(dāng)時(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)難以望其項(xiàng)背的綜合性能。“康維”采用

羅爾斯-羅伊斯公司 康維 Conway 發(fā)動(dòng)機(jī)

了雙轉(zhuǎn)子前風(fēng)扇的總體結(jié)構(gòu)，函道比為0.3，推重比為3.83，地面臺(tái)架大推力為7945公斤，高空巡航推力為2905公斤，大推力時(shí)耗油量為0.735千克/小時(shí)/千克，壓氣機(jī)總增壓比為14，風(fēng)扇總增壓比為1.90，而且英國人還在“康維”上*采用了氣冷的渦輪葉片。當(dāng)康維終定型之后，英國人迫不及待地把它裝在了VC-10上！

美國人在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)上比英國人慢了一拍，但是其技術(shù)起點(diǎn)非常之高。美國人并沒有走英國人從頭研制的老路。美國的普·惠公司利用自已在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的豐富技術(shù)儲(chǔ)備，采用了已經(jīng)非常成熟的J-57作為新渦扇發(fā)動(dòng)的內(nèi)涵核心發(fā)動(dòng)機(jī)。J-57是美國人從1947年就開始設(shè)計(jì)的一種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，1949年完成設(shè)計(jì)，1953年正式投產(chǎn)。J57在投產(chǎn)階段共生產(chǎn)了21226臺(tái)，是世界上產(chǎn)量大的三種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之一，先后裝備了F-100、F-101、F-102、B-52等機(jī)種。J-57在技術(shù)上也有所突破，它是世界上*臺(tái)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而由單轉(zhuǎn)子到雙轉(zhuǎn)子是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的一大進(jìn)步。不光是核心發(fā)動(dòng)機(jī)，就連風(fēng)扇普惠公司也都是采用的已經(jīng)相當(dāng)成熟的部件，已被撤消了型號(hào)的J91核動(dòng)力噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的長葉片被普惠公司拿來當(dāng)作新渦扇的風(fēng)扇。1960年七月，普惠公司的JT3D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生了。JT3D的終定型時(shí)間比羅羅的康維只晚了幾個(gè)月，可是在性能上卻大大的提高。JT3D也是采用了雙軸前風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，地面臺(tái)架大推力8165公斤，高空巡航推力2038公斤，大推力耗油0.535千克/小時(shí)/千克，推重比4.22，函道比1.37，壓氣機(jī)總增壓比13.55，風(fēng)扇總增壓比1.74（以上數(shù)據(jù)為JT3D-3B型發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)）。JT3D的用處很廣，波音707、DC-8用的都是JT3D。不光在民用，在用方面JT3D也大顯身手，B-52H、C-141A、E-3A用的都是JT-3D的軍型TF-33。 [5] 

現(xiàn)今世界三大航空動(dòng)力巨子中的羅·羅、普·惠，都已先后推出了自已的*代渦扇作品。而幾乎是在同一時(shí)刻，三*中的另一個(gè)也推出了自已的*代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。在羅·羅推出“康維”之后第八個(gè)月、普·惠推出JT-3D的前一個(gè)月，通用電氣公司也定型了自已的*代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)CJ805-23。CJ805-23的地面臺(tái)架大推力為7169公斤，推重比為4.15，函道比為1.5，壓氣機(jī)增壓比為13，風(fēng)扇增壓比為1.6，大推力耗油0.558千克/小時(shí)/千克。與普·惠一樣，通用電氣公司也是在現(xiàn)有的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)之上研發(fā)自已的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，被用作新渦扇的內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī)的是J79。J-79于1952年開始設(shè)計(jì)，于1956年投產(chǎn)，共生產(chǎn)了16500多臺(tái)。它與J-57一樣也是有史以來產(chǎn)量的三種渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之一。與J57的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不不同，J79是單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在J-79上*采用了壓氣機(jī)可調(diào)整流葉片和加力全程可調(diào)噴管，J-79也是*可用于兩倍音速飛行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

通用電氣公司的CJ805-23渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)另類的產(chǎn)品，讓CJ805-23如此與眾不同的地方就在于它的風(fēng)扇位置——它是唯采用后風(fēng)扇設(shè)計(jì)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

在五六十年代，人們?cè)谠O(shè)計(jì)*代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候遇到了很大的困難。首先是由于大直徑的風(fēng)扇與相對(duì)小直徑的低壓壓氣機(jī)聯(lián)動(dòng)以后，風(fēng)扇葉片翼尖部分的線速度超過了音速。這個(gè)問題在當(dāng)時(shí)很難解決，因?yàn)闆]有可利用的公式來進(jìn)行運(yùn)算，人們只能用一次又一次的試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)、解決問題；第二是由于在壓氣機(jī)之前多了風(fēng)扇，使得壓氣機(jī)的工作被風(fēng)扇所干擾；第三是細(xì)長的風(fēng)扇葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的振動(dòng)。

而通用電氣公司的后風(fēng)扇設(shè)計(jì)一下子*避開了這三個(gè)主要的困難。CJ805-23的后風(fēng)扇實(shí)際上是一個(gè)雙節(jié)的葉片，葉片的下半部分是渦輪葉片，上半部分是風(fēng)扇葉片。這樣的一個(gè)葉片就像渦軸發(fā)動(dòng)的自由渦輪一樣被放在內(nèi)函核心發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部。葉片與核心發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有絲毫的機(jī)械聯(lián)，這樣人們就可以隨心所欲地來設(shè)計(jì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，而且葉片的后置也不會(huì)對(duì)壓氣機(jī)產(chǎn)生不良影響。但在回避困難的同時(shí)也引發(fā)了新的問題。

首先是葉片的受熱不勻，CJ805-23的后風(fēng)扇葉片的渦輪部分在工作時(shí)的溫度達(dá)到了560度，而風(fēng)扇部分的低溫度只有38度；其次，由于后風(fēng)扇不像前風(fēng)扇那樣工作在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端，而是工作在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端，這樣一來風(fēng)扇的可靠性也隨之下降，而飛機(jī)對(duì)其動(dòng)力的要求重要的一條就是*。而且風(fēng)扇后置的設(shè)計(jì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)由于形狀上的原因其飛行阻力也要大于風(fēng)扇前置的發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)“康維”、JT-3D、CJ805-23這些渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)紛紛定型下線的時(shí)候，人們也在不斷反思渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程。人們發(fā)現(xiàn)，如果一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)如果真的像“康維”那樣從一張白紙上開始試制，則少要用十年左右的時(shí)間新發(fā)動(dòng)機(jī)才能定型投產(chǎn)。而如果像JT-3D或CJ805-23那樣，利用已有的一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為內(nèi)函發(fā)動(dòng)機(jī)來研制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的話，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上難解決的部分都已得到了解決，所以無論從時(shí)間上還是金錢、人力、物力上都要節(jié)省很多。在這樣的背景之下，為了縮短新渦扇的研制時(shí)間、減少開發(fā)費(fèi)用，美國政府在還未對(duì)未來的航空動(dòng)力有十分明確要求的情況下，從1959年起開始執(zhí)行“*渦輪燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃”。這個(gè)計(jì)劃的目的就是要利用的科研成果來試制一種燃?xì)夂诵臋C(jī)，并進(jìn)行地面試車，以暴露并解決各部分的問題。在這個(gè)燃?xì)夂诵臋C(jī)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行放大或縮小，再加裝其它的部件，如壓氣機(jī)、風(fēng)扇等等，就可以組裝成不同類型的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。如渦扇、渦噴、渦軸、渦槳等等。“*渦輪燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃”實(shí)際上是一個(gè)有相當(dāng)前瞻意味的預(yù)研工程。

用今天的眼光來看，這個(gè)工程的指導(dǎo)方向無疑是正確的。美國政府實(shí)際上是在激勵(lì)本國的兩大動(dòng)力公司向航空動(dòng)力系統(tǒng)中難的部分開刀。因?yàn)樵谌細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中嚴(yán)重的技術(shù)難點(diǎn)，就產(chǎn)生在這個(gè)以燃?xì)獍l(fā)生器和燃?xì)鉁u輪為主體的燃?xì)夂诵臋C(jī)上。在每一臺(tái)以高溫燃?xì)鈦眚?qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)上，由燃?xì)獍l(fā)生器和燃?xì)鉁u輪所組成的燃?xì)夂诵臋C(jī)的工作地點(diǎn)，將是這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、大壓力的所在地，所以其承受的應(yīng)力也就大，工作條件也較為苛刻。但燃?xì)夂诵臋C(jī)的困難不只是壓力和溫度，高轉(zhuǎn)數(shù)所帶來的巨大的離心力、飛機(jī)在加速時(shí)的巨大沖擊，如果是戰(zhàn)斗機(jī)還要考慮到當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的過載和因過載而引起的零部件變形。在為數(shù)眾多的困難中單拿出無論哪一個(gè)，都將是一個(gè)工程上的巨大難題。但如果這些問題未能解決，那么更*的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)也就無從談起。

在這個(gè)計(jì)劃之下，普惠公司與通用電氣公司都很快推出了各自研發(fā)的燃?xì)夂诵臋C(jī)。普惠公司的核心機(jī)被稱作STF-200，而通用動(dòng)力公司的燃?xì)夂诵臋C(jī)為GE-1。時(shí)至今日，美國人在四十年前發(fā)起的這場預(yù)研還在發(fā)揮著它的作用?，F(xiàn)如今普惠公司和通用電氣公司出品的各式航空發(fā)動(dòng)機(jī)，如果都求其根源的話，它們卻都是來自于STF-200與GE-1這兩個(gè)老祖宗。