[科普中國]-涵道比

涵道比選擇

涵道比是渦扇發(fā)動機(jī)外涵道和內(nèi)涵道的空氣流量之比，又稱流量比。涵道比是渦扇發(fā)動機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它對發(fā)動機(jī)耗油率和推重比有很大影響。不同用途的渦扇發(fā)動機(jī)應(yīng)選取不同的涵道比，如遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)和旅客機(jī)使用的渦扇發(fā)動機(jī)，其涵道比為4～8，甚至更高；空戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)選用的加力式渦扇發(fā)動機(jī)的涵道比一般小于1，甚至可小到0．2～0．3。2

涵道比為零的渦扇發(fā)動機(jī)即是渦輪噴氣發(fā)動機(jī),早期的渦扇發(fā)動機(jī)和現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)使用的渦扇發(fā)動機(jī)涵道比都較低,例如世界上第一款實(shí)用渦扇發(fā)動機(jī),勞斯萊斯的Conway涵道比只有0.3,現(xiàn)代多數(shù)民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的涵道比通常都在5以上。涵道比高的渦輪扇發(fā)動機(jī)耗油較少,但推力卻與渦輪噴氣發(fā)動機(jī)相當(dāng),且運(yùn)轉(zhuǎn)時還寧靜得多。

戰(zhàn)斗機(jī)使用低涵道比發(fā)動機(jī),主要是因?yàn)榻孛娣e與常用飛行速度與民用飛機(jī)不同。高涵道比的發(fā)動機(jī)截面積過大在超音速的時候阻力過大,另外在超音速的狀況下效率也會比純渦輪噴氣甚至于低涵道比設(shè)計(jì)還低,所以戰(zhàn)斗機(jī)皆使用低涵道比發(fā)動機(jī)(涵道比皆低于1)。只在超音速飛行的協(xié)和飛機(jī),因?yàn)殚L時間處于超音速狀態(tài),為了提升效率與降低成本,就是使用純渦輪噴氣而無涵道比的發(fā)動機(jī)。

涵道比變化涵道比變化是加力渦扇發(fā)動機(jī)的低壓壓氣機(jī)自動調(diào)節(jié)的一項(xiàng)因素。在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，壓比下降時，低壓壓氣機(jī)前幾級攻角增大，高壓壓氣機(jī)攻角減小，渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)差增加是減少級間不匹配的第一因素；減少渦扇發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)攻角的第二因素是風(fēng)扇發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時，涵道比增加。涵道比增加的原因是由于高壓壓氣機(jī)流量下降，內(nèi)涵道節(jié)流，流通能力下降，改變了內(nèi)外涵道的流通能力。外涵道由于沒有節(jié)流，因而外涵道流量Wall。下降較慢，部分空氣從低壓壓氣機(jī)出口繞過高壓壓氣機(jī)往外涵道流動，使得涵道比增加。這種變化緩解了低壓壓氣機(jī)的流量系數(shù)降低而引起攻角增加，所以在雙涵道渦扇發(fā)動機(jī)中，壓比相同的壓氣機(jī)與單涵道相比具有更高的穩(wěn)定裕度。涵道比變化，可將外涵道看成是低壓壓氣機(jī)放氣門，其放氣量隨著轉(zhuǎn)速的降低而增加，涵道比與轉(zhuǎn)差隨發(fā)動機(jī)工況變化，3

作用通常涵道比的提高會改進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)的SFC但是降低發(fā)動機(jī)的單位推力。這里有一系列現(xiàn)實(shí)因素對一臺給定發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)定了涵道比的上限：

1、發(fā)動機(jī)的進(jìn)口面積增大，因此重量和短艙阻力也增大。同樣成本也會上升。

2、驅(qū)動風(fēng)扇的渦輪級數(shù)會快速上升。這是因?yàn)楫?dāng)涵道比上升時，風(fēng)扇葉尖切線速度需保持在大概的常數(shù)，因此其轉(zhuǎn)速會下降。對于一個給定的核心機(jī)尺寸，驅(qū)動風(fēng)扇渦輪的尺寸是同定的，因此它的葉尖切線速度則會下降。與此同時，驅(qū)動風(fēng)扇渦輪的比功必須提高，因?yàn)轱L(fēng)扇流量與渦輪流量之比上升了，這意味著此處渦輪載荷會高得不可接受。這將使渦輪效率降低，除非此處渦輪加級。迄今已經(jīng)證明了現(xiàn)在存渦輪和風(fēng)扇間放置一個傳動箱是不切實(shí)際的，因?yàn)橐慌_大型的渦扇發(fā)動機(jī)需給其傳輸50 MW的功率。

3、座艙空氣和飛機(jī)附件功率提取將對SFC和單位推力帶來更大影響。

4、在反推力裝置不工作時，所需嬰的密封周長增加，將會帶來更多的漏氣。

以上這些因素導(dǎo)斂遠(yuǎn)程民用渦扇發(fā)動機(jī)的涵道比一般在4～6之間。然而近年來，GE90將這個數(shù)增至8～9之間。短程渦扇發(fā)動機(jī)的涵道比則一般在1～3之間，不過現(xiàn)代設(shè)計(jì)趨向于使用更高的值來降低噪聲并允許兼容遠(yuǎn)程飛機(jī)發(fā)動機(jī)。對于超聲速軍用發(fā)動機(jī)，涵道比一般住0．5～1之間以使進(jìn)口面積最小。4

分類高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，大部分動力來自由風(fēng)扇加速的外涵道空氣。這種發(fā)動機(jī)往往外涵道較短，內(nèi)涵道的尾氣不與外涵道混合，而由噴嘴單獨(dú)排出。高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)在亞音速時有非常好的能效，通常用于客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和戰(zhàn)略轟炸機(jī)。

低涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，大部分動力來自驅(qū)動核心機(jī)的內(nèi)涵道尾氣。這種發(fā)動機(jī)通常采用混合噴嘴，即內(nèi)涵道尾氣在與外涵道氣流混合后再排出。混合噴嘴可以變形以調(diào)整推力的大小甚至方向，而高溫的尾氣經(jīng)外涵道氣流降溫后，也有利于降低發(fā)動機(jī)的紅外特征。低涵道比渦扇發(fā)動機(jī)通常安裝有加力燃燒室，可以以高油耗為代價，產(chǎn)生更大的推力。低涵道比渦扇發(fā)動機(jī)可以用于超音速飛行，通常用于戰(zhàn)斗機(jī)。