每日科技名词|涡轮风扇发动机

情毒

涡轮风扇发动机

turbofan engine

又称：内外涵发动机

定义：由在压气机前安装的一级或多级风扇形成的外涵气流与内涵喷管排出的或内外涵气流掺混后排出的燃气共同产生推力的燃气涡轮发动机。

学科：航空科学技术_推进技术与航空动力装置

相关名词：航空发动机 涡轮喷气发动机 涡轮轴发动机


图片来源：视觉中国

【延伸阅读】

1941年英国工程师弗兰克·惠特尔（Frank·Whittle）设计的涡轮喷气式发动机试验成功。1942年，德国工程师汉斯·冯·奥海恩（Hans Von Ohain）将其设计的新型涡喷发动机安装在战斗机梅塞施米特Me-262飞机上并飞行成功。世界航空业由此进入喷气时代。

涡喷发动机的排气温度很高，能量损失较严重，因此这种发动机虽然动力强劲但耗油率很高，难以满足快速发展的航空业对长航程的要求。因此，英国的罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce Plc.）于1950年开始研制康维（CONWAY）涡轮风扇发动机，该型发动机于1960年投入使用，主要用于民用客机，是世界上第一种投入批量生产的涡轮风扇发动机。之后的几十年，涡轮风扇发动机凭借不俗的性能及低耗油率，逐渐取代涡喷发动机成为军民用飞机的主要动力机。

涡轮风扇发动机简称“涡扇发动机”，与涡喷发动机最大的区别在于其具有内外涵道之分。内涵道结构与涡喷发动机基本相同，主要由高压压气机、燃烧室及涡轮组成；外涵道主要为低压压气机，或称风扇。与涡喷发动机不同的是，涡扇发动机内涵道高压涡轮后部紧接着低压涡轮，当高温高压的燃气在高压涡轮处膨胀做功后，燃气仍具有较高的热量与动能。低压涡轮再次将其中的能量转换为旋转机械能，并且带动外涵道的风扇或增压级等低压旋转部件一起旋转，使得涡扇发动机具有更高的能量利用效率。同时，发动机的高压转子部件与低压转子部件在结构上相互独立，形成双转子结构，使得两者均在最适宜的工作转速下运行，进一步提升了发动机的工作效率及稳定性。甚至有小部分涡扇发动机采用三转子结构，或者在低压涡轮轴与风扇之间加装减速齿轮，使各部件都在最适宜的转速下运行，进一步提升各部件的工作效率。

涡扇发动机主要分为两大类：一类是高涵道比涡扇发动机，主要用于民航客机、军用运输机等亚音速、长航程飞机；另一类是小涵道比（或称“高推重比”）的涡扇发动机，用于战斗机等超音速、高机动的飞机。高涵道比涡扇发动机风扇直径可达3米，内外涵道比可高达1：10。具有代表性的发动机包括通用航空发动机公司（GE Aviation）的GE90发动机、普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney Group）的PW4000系列发动机以及罗罗公司的遄达（Trent）发动机。相比之下，小涵道比涡扇发动机内外涵道比可低至1：0.2，且其直径小，有助于降低飞机的飞行阻力。除此以外，较小的涵道比既能保证低空时发动机的工作效率，又能保证高空时的大推力、高速性能，因此主要用于高空、高速的战斗机。例如F22战斗机装配的F119发动机、苏-27战斗机装配的AL-31F发动机以及F15、F16战斗机装配的F110发动机均为高推重比涡扇发动机。

涡扇发动机是现今应用最广、市场占比最大的航空发动机类型，各国的航空管理局对涡扇发动机的适航性要求极高。例如，根据中国《民用航空产品和零部件合格审定规定》，民用航空燃气涡轮发动机工作时发生严重故障的可能性不得高于10万小时（约11年）一次。目前，我国的高推重比涡扇发动机已实现大量生产，新一代的高水平发动机正奋起直追世界先进水平；民用高涵道比涡扇发动机的试验工作正稳步推进，未来它们将为我国自行研制的大型客机C919和C929提供充足而可靠的动力。

（延伸阅读作者：中国航发北京航空材料研究院 高健时）