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进阶篇:现代工业技术皇冠上的明珠——Turbofan Engine

波音-747-8与波音-787配备的GNEX发动机

废话少说,如果您还不知道什么是Turbofan Engine,请先百度科普一下,因为今天我们只聊进阶话题——叶片。

各种航空涡轮发动机

涡轮发动机有很多种类,有涡轮喷气、涡轮螺桨、涡轮风扇等,但都大同小异,主要就是进气、排气以及输出的传动方式有些差异。

经过几十年的发展,现在世界主要航空大国对一般航空涡轮发动机的原理、设计及制造已经是掌握得炉火纯青了。对于热机来说,燃烧室的温度与排气后的温度相差越大,热效率越高。所以要想提高涡轮发动机的热效率,在目前工业设计和制造的水平下,最靠谱的办法就是提高涡轮前燃烧温度。

说起来好像很简单,不就是烧高温嘛!那就往死里压气呗,多进空气就能提高燃烧温度。

没错,道理就是这么简单,但是现实就是有这么多的悖论:

1. 进气压力越大,效率越高,但是阻力也越大。

高涵道比涡轮风扇发动机

F110涡轮风扇发动机(F-15,F-16)

对比上面两图就能直观明白哪个阻力更大,哪个速度更快,哪个更耗油。

2. 进气压力越大,涡轮前温度越高,涡轮本体工作环境越恶劣,可靠性急剧降低甚至瞬间报废。

劳斯莱斯航空涡轮发动机的叶片降温技术

要知道发动机自身也有很大的重量,对于航空材料,减重是个高技术活。

用于给叶片降温的气孔

所以既要叶片转得快,能耐压,而且还要轻,还要耐高温,哪有这么好的事!

用于给叶片降温的气孔

大家现在看到的涡轮叶片表面上好像就是一块钢板,其实里面已经被挖得千疮百孔,利用叶片内气流和叶片表面的气膜来给叶片面里外降温。

叶片上的降温气孔

各种用来让叶片降温的办法都已经用到了,只要你想到的几乎都用上了。

叶片温度工况

其实现在航空涡轮风动机的最大的难点并不在如何让燃烧升温上,而恰恰相反,是如何让涡轮叶片降温。

叶片内复杂的多孔蜂窝状结构

所以,还需要从另外一个方面来考虑,那就是采用能耐更高温度、具有更高强度的材料来制造涡轮叶片。

劳斯莱斯单晶叶片材料

但是很不幸的是,目前这项技术似乎也进展缓慢,目前最好的材料是采用单晶陶瓷来制造叶片。

仅从外表看不出来叶片的内部具有多孔蜂窝状结构

如果将全部上述技术都用上,再加上其他各种极致的压榨,就制造出来了军用涡轮风扇发动机之王:F119和F135。(没错,和扑克一样,有两个王)

F22的超级心脏——F119涡轮风扇发动机

F-119是装备于F-22A上的发动机,采用小涵道比来降低阻力,自然也降低了效率。其最大推力156 千牛,约15.8吨。

F35的矢量推力系统

F-135是目前的推力之王,但是最高速度受到限制,因为它是F119加大风扇直径后改进而成,增加了阻力而换得了更大的推力。(是不是非常矛盾?)其最大推力达191.3千牛。超过了F119-PW一100的最大推力多达20%。

装备了矢量推力发动机的F35

虽然F135是有史以来最为强劲的战斗机发动机,但是高速下就不怎么地了(超音速情况下)。

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