航空發(fā)動(dòng)機(jī)，作為飛機(jī)的 “心臟”，是飛機(jī)飛行的動(dòng)力源泉，對(duì)飛機(jī)的性能起著決定性作用。其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎飛機(jī)的飛行速度、航程、載重能力以及燃油效率等關(guān)鍵指標(biāo)。例如，高性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)能使戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)超音速飛行，迅速抵達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域；對(duì)于民用客機(jī)而言，先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)則意味著更低的油耗和更平穩(wěn)的飛行，從而降低運(yùn)營成本，提升乘客的出行體驗(yàn)。正是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)如此重要，它也被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè) “皇冠上的明珠”，是一個(gè)國家科技實(shí)力、工業(yè)水平和國防能力的重要象征。這也使得人們對(duì)不同類型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)充滿好奇，接下來湖南泰德航空帶您一同深入探索渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的奧秘。
01

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生

一、弗蘭克?惠特爾的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)

20 世紀(jì) 30 年代，航空領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的需求愈發(fā)迫切，傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行速度、高度等方面逐漸暴露出局限性，難以滿足日益增長的航空發(fā)展需求。在這樣的背景下，英國的弗蘭克?惠特爾（Frank Whittle）展開了對(duì)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的深入研究。1930 年，惠特爾首次提出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想，經(jīng)過 6 年的鉆研與完善，于 1936 年正式提出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案，并取得了設(shè)計(jì)專利權(quán)，其方案代號(hào)為 LR1?；萏貭柼岢龅臏u扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案，核心在于通過在傳統(tǒng)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加風(fēng)扇和外涵道，使一部分空氣不經(jīng)過燃燒室，直接從外涵道排出，與內(nèi)涵道排出的燃?xì)夤餐a(chǎn)生推力。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)極大地改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。

二、首臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生

在弗蘭克?惠特爾提出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案后，英國羅爾斯?羅伊斯公司（Rolls-Royce，簡稱羅?羅公司）在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制道路上邁出了重要一步。1947 年 4 月，羅?羅公司研制出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試車，其方案代號(hào)為 RB80。1950 年 1 月，該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力達(dá)到了 4120daN，成功達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)，這一成果為后續(xù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1952 年，這款渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)正式定名為 “康維內(nèi)外涵發(fā)動(dòng)機(jī)”，成為世界上第一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)志著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)從理論設(shè)想走向了實(shí)際應(yīng)用，開啟了航空動(dòng)力領(lǐng)域的新紀(jì)元。

02

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

一、復(fù)雜構(gòu)成

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，它主要由發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)和低壓渦輪及其帶動(dòng)的風(fēng)扇共同組成。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)又包括壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪這幾個(gè)關(guān)鍵部分。壓氣機(jī)就像是一個(gè)空氣 “壓縮機(jī)”，它通過多級(jí)葉片的旋轉(zhuǎn)，將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮，使其壓力和溫度升高，為后續(xù)的燃燒過程提供合適的空氣條件。燃燒室則是燃料與高壓空氣混合并燃燒的地方，在這里，燃料的化學(xué)能被釋放出來，轉(zhuǎn)化為高溫高壓燃?xì)獾膬?nèi)能。高壓渦輪則利用高溫高壓燃?xì)獾哪芰?，?qū)動(dòng)壓氣機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

而低壓渦輪及其帶動(dòng)的風(fēng)扇則是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別于其他發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部分。風(fēng)扇安裝在壓氣機(jī)前，由低壓渦輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)吸入大量空氣，其中一部分空氣（稱為外涵氣流）直接繞過核心機(jī)，從發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道排出；另一部分空氣（稱為內(nèi)涵氣流）則進(jìn)入核心機(jī)，參與壓縮、燃燒等過程。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，既有核心機(jī)產(chǎn)生的高溫燃?xì)庀蚝髧娚洚a(chǎn)生的推力，又有外涵道風(fēng)扇排出空氣產(chǎn)生的推力，兩者共同作用，為飛機(jī)提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

二、工作原理

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)制基于質(zhì)量附加原理。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，核心機(jī)產(chǎn)生的一部分能量會(huì)傳遞到外涵，這是通過低壓渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)給外涵氣流增加能量，使其速度和壓力發(fā)生變化。這樣一來，發(fā)動(dòng)機(jī)的總空氣流量就會(huì)增加，因?yàn)椴粌H有核心機(jī)的內(nèi)涵氣流，還有外涵道的大量空氣參與其中。同時(shí)，由于外涵氣流的能量增加，排氣速度相對(duì)降低。根據(jù)動(dòng)量定理，推力等于單位時(shí)間內(nèi)排出氣體的動(dòng)量變化，雖然排氣速度降低了，但總空氣流量大幅增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在一定飛行速度范圍內(nèi)產(chǎn)生的推力增大。而且，排氣速度的降低還帶來了一個(gè)好處，就是燃油消耗率降低，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生相同推力的情況下，消耗的燃油更少了，這使得飛機(jī)的航程得到了增加。例如，某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在采用這種工作機(jī)制后，與同類型的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，推力提高了約 30% - 50%，耗油率降低了 20% - 30%，大大提升了飛機(jī)的性能。

03

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性

一、卓越性能

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有眾多卓越的性能特點(diǎn)。它的推力十分強(qiáng)大，以常見的民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其推力可達(dá)數(shù)十噸甚至更高，像羅爾斯?羅伊斯公司的遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)，推力范圍在 25000 - 114000 磅（約 11.3 - 51.7 噸）之間，能夠輕松推動(dòng)大型客機(jī)在天空翱翔。而且，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的效率極高，通過外涵道風(fēng)扇排出大量空氣，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的總空氣流量，同時(shí)降低了排氣速度，使得推進(jìn)效率得到顯著提高，從而有效降低了燃油消耗率。與同類型的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率可降低 20% - 40%，這對(duì)于長途飛行的飛機(jī)來說，大大降低了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

此外，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音和污染也相對(duì)較低。在現(xiàn)代航空運(yùn)輸中，噪音污染是一個(gè)備受關(guān)注的問題，而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通過合理的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的降噪技術(shù)，有效降低了噪音水平。例如，采用大涵道比設(shè)計(jì)，使得外涵道氣流速度相對(duì)較低，從而減少了噪音的產(chǎn)生。同時(shí)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率較高，廢氣排放中的有害物質(zhì)含量也相對(duì)較少，對(duì)環(huán)境的污染更小，符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求。而且，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用了先進(jìn)的電子控制技術(shù)，自動(dòng)化程度非常高。它可以自動(dòng)控制油門、推力等基本參數(shù)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，能夠自動(dòng)調(diào)整或發(fā)出警報(bào)，這不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性，也減輕了飛行員的工作負(fù)擔(dān)，使得飛行更加平穩(wěn)和安全。正是由于這些卓越的性能特點(diǎn)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)成為了高亞聲速旅客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的理想動(dòng)力選擇，廣泛應(yīng)用于各大航空公司的客機(jī)以及軍事運(yùn)輸機(jī)等。

二、制造工藝

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝極其復(fù)雜，對(duì)技術(shù)水平要求極高。在制造過程中，葉片是關(guān)鍵部件之一，其加工精度和質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。例如，風(fēng)扇葉片和渦輪葉片需要承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力以及高溫、高壓燃?xì)獾臎_刷，這就要求葉片具有極高的強(qiáng)度和耐高溫性能。目前，常用的葉片材料包括鈦合金、鎳基高溫合金等，這些材料不僅強(qiáng)度高，而且在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的性能。

為了制造出高精度的葉片，需要采用先進(jìn)的加工技術(shù)。其中，3D 打印技術(shù)在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造中得到了廣泛應(yīng)用。通過 3D 打印，工程師可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，精確地制造出復(fù)雜形狀的葉片，大大提高了葉片的制造精度和生產(chǎn)效率。例如，中國在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的 3D 打印技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展，能夠制造出高質(zhì)量的葉片，其精度和性能已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。精密磨削技術(shù)也是制造葉片的重要手段之一，通過精密磨削，可以使葉片表面達(dá)到極高的光潔度，減少氣體在葉片表面的摩擦損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。像我國的大國工匠洪家光，潛心多年改進(jìn)并形成了一套 “航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片滾輪精密磨削技術(shù)”，將滾輪精度從 0.008 毫米提高到了 0.003 毫米，有效提升了 WS - 10 發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片壽命，還打破了國外對(duì)該技術(shù)的長期封鎖。

除了葉片，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件，如壓氣機(jī)、燃燒室等，也需要高精度的制造工藝。壓氣機(jī)的制造需要保證各級(jí)葉片的角度和間隙精確無誤，以確?？諝饽軌虮挥行У貕嚎s。燃燒室則需要具備良好的耐高溫性能和密封性能，以保證燃料與空氣的混合和燃燒過程穩(wěn)定可靠。在制造過程中，通常采用先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)、焊接技術(shù)和鑄造技術(shù)，來確保各個(gè)部件的質(zhì)量和性能。例如，在數(shù)控加工中，通過五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀部件的高精度加工，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)制造的嚴(yán)格要求。

04

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

一、民用航空

在民用航空領(lǐng)域，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可謂是 “中流砥柱”，廣泛應(yīng)用于各類民用客機(jī)。從大型的干線客機(jī)，如波音 737、747、787 系列以及空客 A320、A330、A380 系列，到支線客機(jī)，像巴西航空工業(yè)公司的 E 系列、中國的 ARJ21 “翔鳳” 支線客機(jī)，再到噴氣公務(wù)機(jī)，如灣流 G550、龐巴迪挑戰(zhàn)者系列等，都離不開渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供的強(qiáng)大動(dòng)力。這些民用客機(jī)搭載渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高效、經(jīng)濟(jì)、舒適的遠(yuǎn)程飛行。以波音 787 “夢(mèng)想客機(jī)” 為例，它裝備了兩臺(tái)通用電氣 GEnx 系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或羅爾斯?羅伊斯遄達(dá) 1000 系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的推力強(qiáng)大，能夠推動(dòng)波音 787 以約 900 公里 / 小時(shí)的巡航速度飛行，而且燃油效率高，使得波音 787 的航程可達(dá) 13000 公里以上，能夠輕松實(shí)現(xiàn)跨洋飛行，為全球旅客提供了便捷的空中交通服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球民用客機(jī)中，超過 90% 都采用了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，這充分說明了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在民用航空領(lǐng)域的重要地位和廣泛應(yīng)用。

二、軍事航空

在軍事航空領(lǐng)域，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)同樣發(fā)揮著不可或缺的作用，廣泛應(yīng)用于多種軍機(jī)類型。在軍用運(yùn)輸機(jī)方面，例如中國的運(yùn) - 20、美國的 C - 17 “環(huán)球霸王 III”、俄羅斯的伊爾 - 76 等，這些大型軍用運(yùn)輸機(jī)承擔(dān)著戰(zhàn)略物資運(yùn)輸、人員投送等重要任務(wù)，需要強(qiáng)大而可靠的動(dòng)力支持。運(yùn) - 20 裝備了國產(chǎn)渦扇 - 20 發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)最大推力可達(dá) 16 噸左右，使得運(yùn) - 20 的最大起飛重量達(dá)到 220 噸，最大載重量超過 66 噸，具備了遠(yuǎn)程戰(zhàn)略投送能力，能夠在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下快速運(yùn)輸兵力和物資，極大地提升了軍隊(duì)的作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性和后勤保障能力。

在戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接影響著戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力。像中國的殲 - 20、殲 - 16，美國的 F - 22、F - 35，俄羅斯的蘇 - 57 等先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)，都配備了高性能的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。殲 - 20 裝備的渦扇 - 15 發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力可達(dá) 18 噸左右，為殲 - 20 提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，使其具備了超音速巡航、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)異性能，能夠在空戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，有效捍衛(wèi)國家的領(lǐng)空安全。美國的 F - 35 戰(zhàn)斗機(jī)裝備的普惠 F135 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推力高達(dá) 191 千牛（約 19.5 噸），使得 F - 35 具有出色的飛行性能和作戰(zhàn)能力，能夠執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)，包括空中優(yōu)勢(shì)作戰(zhàn)、對(duì)地攻擊、偵察等。