壓氣機(jī)

壓氣機(jī)的作用是將來自渦輪的能量傳遞給外界空氣，提高其壓力后送到燃燒室參與燃燒。因?yàn)橥饨缈諝獾膯挝惑w積含氧量太低，遠(yuǎn)小于燃燒室中的燃油充分燃燒所需的含氧量。所以如果外界空氣不經(jīng)過壓縮，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)效率就太低了。

在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的壓氣機(jī)按其結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓氣機(jī)，一類是軸流式壓氣機(jī)。離心式壓氣機(jī)的外形就像是一個(gè)鈍角的扁圓錐體。由于其迎風(fēng)面積大，現(xiàn)在已經(jīng)不在主流航空渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中使用了，僅在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中有一些應(yīng)用。軸流式壓氣機(jī)因其中主流的方向與壓氣機(jī)軸平行而得名，它是靠推動(dòng)氣流進(jìn)入相鄰葉片間的擴(kuò)壓信道來實(shí)現(xiàn)氣流增壓的。軸流式壓氣機(jī)具有體積小、流量大、效率高的特點(diǎn)，雖然軸流式壓氣機(jī)單級(jí)增壓比不大（約 1.3～1.5），但是可以將很多級(jí)壓氣機(jī)葉片串聯(lián)起來，一級(jí)一級(jí)增壓，其乘積就是總的增壓比。軸流式壓氣機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的首選。

壓氣機(jī)的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于要綜合保證效率、增壓比和喘振裕度者三大主要性能參數(shù)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

壓氣機(jī)效率是衡量壓氣機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)，它反映了氣流增壓過程中產(chǎn)生能量損失的大小，如果效率太低，能量損失過大，壓氣機(jī)就是出力不討好。

增壓比是指壓氣機(jī)出口氣壓與進(jìn)口氣壓之比，這個(gè)參數(shù)決定了壓氣機(jī)給后面的燃燒室提供的"服務(wù)質(zhì)量"的好壞以及整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)效率。目前人們的目標(biāo)是提高壓氣機(jī)的單級(jí)增壓比。比如在GE公司的J-79渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上用的壓氣機(jī)風(fēng)扇有17級(jí)之多，平均單級(jí)增壓比為1.16，這樣17級(jí)葉片的總增壓比大約在 12.5左右；而F-22的F-119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中，3級(jí)風(fēng)扇和6級(jí)高壓壓氣機(jī)的總增壓比就達(dá)到了25左右，平均單級(jí)增壓比為1.43。

但隨著壓氣機(jī)的增壓比越來越高，壓氣機(jī)喘振的問題凸顯了出來。

喘振是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種不正常的工作狀態(tài)，是由壓氣機(jī)內(nèi)的空氣流量和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)過多而引發(fā)的。喘振是發(fā)動(dòng)機(jī)的致命故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車甚至發(fā)動(dòng)機(jī)致命損壞。衡量發(fā)動(dòng)機(jī)喘振性能的指標(biāo)叫做"喘振裕度"，就是說發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口流量變化多少會(huì)引發(fā)喘振，這個(gè)值一般都要求達(dá)到15％甚至 20％以上。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能要先進(jìn)，穩(wěn)定工作范圍寬，首先要求喘振裕度要大，壓氣機(jī)工作點(diǎn)距離喘振邊界遠(yuǎn)。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)抗畸變能力要強(qiáng)。進(jìn)氣口的氣有時(shí)是不均勻的，尤其是飛機(jī)做大機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，進(jìn)氣道唇口氣流發(fā)生分離，造成壓氣機(jī)進(jìn)口畸變，氣流不均勻。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度就會(huì)減小，加減速又會(huì)把一部分喘振裕度消耗掉，也可能造成停車，所以喘振裕度必須足夠，對(duì)畸變不敏感。導(dǎo)彈的尾焰也容易造成溫度場(chǎng)畸變，使發(fā)動(dòng)機(jī)停車，所以要有武器發(fā)射防喘自動(dòng)控制系統(tǒng)。

早期的軸流式壓氣機(jī)多數(shù)為單轉(zhuǎn)子軸流式壓氣機(jī)，即各級(jí)壓氣機(jī)是裝在同一根傳動(dòng)軸上、由同一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)并以相同轉(zhuǎn)速工作的。這種壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，但是當(dāng)單轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中轉(zhuǎn)速突然下降時(shí)（比如猛收小油門），氣流容積容量過大而形成堵塞，從而導(dǎo)致前面各級(jí)（低壓壓氣機(jī)）葉片處于小流量大攻角的工作狀態(tài)。這時(shí)，就像飛機(jī)在大攻角飛行時(shí)出現(xiàn)失速一樣，氣流在壓氣機(jī)葉片后面開始分離，這種分離嚴(yán)重到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)喘振。在單轉(zhuǎn)子軸流式壓氣機(jī)中，為了降低低壓部分在這種情況下的攻角，只好在壓氣機(jī)前加裝可調(diào)導(dǎo)流葉片以降低氣流攻角，或者在壓氣機(jī)的中間級(jí)上進(jìn)行放氣，即空防掉一部分已經(jīng)增壓的空氣來減少壓氣機(jī)低壓部分的攻角。

為了提高壓氣機(jī)的工作效率并增加發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度，人們想到了用雙轉(zhuǎn)子來解決問題，即讓發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)速之下，這樣低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪聯(lián)動(dòng)形成低壓轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪聯(lián)動(dòng)形成高壓轉(zhuǎn)子。由于低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)分別裝在兩個(gè)同心的傳動(dòng)軸上，當(dāng)壓氣機(jī)的空氣流量和轉(zhuǎn)速前后矛盾時(shí)，它們就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，推遲了前面各級(jí)葉片上的氣流分離，從而增加了喘振裕度。

然而雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)也并不是完美的。在雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于風(fēng)扇通常和低壓壓氣機(jī)聯(lián)動(dòng)，風(fēng)扇為了遷就壓氣機(jī)而必須在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，高轉(zhuǎn)速帶來的巨大離心力就要求風(fēng)扇的葉片長度不能太大，涵道比自然也上不去，而涵道比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)越省油。低壓壓氣機(jī)為了遷就風(fēng)扇也不得不降低轉(zhuǎn)速和單級(jí)增壓比，單級(jí)增壓比降低的后果就是不得不增加壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)來保持一定的總增壓比。這樣一來壓氣機(jī)的重量就難以下降。

為了解決壓氣機(jī)增壓比和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的矛盾，人們很自然的想到了三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所謂三轉(zhuǎn)子就是在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上又多了一級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。這樣，風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)都自成一個(gè)轉(zhuǎn)子，各自都有各自的轉(zhuǎn)速。因此，設(shè)計(jì)師們就可以相對(duì)自由地設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇直徑以及涵道比。而低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速也就可以不再受風(fēng)扇的掣肘。

但和雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比，三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變得復(fù)雜。三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有三個(gè)相互套在一起的共軸轉(zhuǎn)子，支撐結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，軸承的潤滑也更加困難。三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)多了很多工程上的難題，可是英國的羅爾斯·羅伊斯公司還是對(duì)它情有獨(dú)鐘。羅·羅公司的RB-211渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上用的就是三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子數(shù)量的增加帶來了風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪的優(yōu)化。該型發(fā)動(dòng)機(jī)裝備在許多型號(hào)的客機(jī)上。

三轉(zhuǎn)子的RB-211與同一技術(shù)時(shí)期推力同級(jí)的波音747用雙轉(zhuǎn)子JT9D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，JT9D的風(fēng)扇葉片有46片，而RB-211只有33片；壓氣機(jī)、渦輪的總級(jí)數(shù)JT9D為22級(jí)，而RB-211只有19級(jí)；壓氣機(jī)葉片JT9D有1486片，RB-211只有826片；渦輪轉(zhuǎn)子葉片RB-211是 522片，而JT9D多達(dá)708片；但從支撐軸承上看，RB-211有8個(gè)軸承支承點(diǎn)，而JT9D只有4個(gè)。

為了千方百計(jì)提高壓氣機(jī)的喘振裕度，除了采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)外，中間級(jí)放氣以及機(jī)匣處理等措施已逐漸被廣泛運(yùn)用。在很多現(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)機(jī)上人們都保留了放氣活門以備不時(shí)之需。比如在JT9D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，普拉特·惠特尼公司就分別在高、低壓壓氣機(jī)的第4、9、15級(jí)上保留了三個(gè)放氣活門。"昆侖"發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了先進(jìn)的機(jī)匣處理措施，以及數(shù)字式防喘控制系統(tǒng)。