涡扇发动机工作原理（漫谈涡扇发动机涵道比）

　　涡扇发动机工作原理（漫谈涡扇发动机涵道比）
　　20世纪60年代，涡扇发动机问世，并迅速地取代了涡喷发动机，成为军民用飞机的主流发动机。
　　伴随着涡扇发动机的普及，涵道比也成为了一个热词。
　　1、什么是涡扇发动机的涵道比？
　　涡扇发动机原理图
　　涡扇发动机，按气流通道可以分为内涵道和外涵道，内涵道就是一台涡喷发动机，也称作核心机，外涵道包括风扇与外涵道。
　　发动机工作时，气流分别进入内、外涵道，并在发动机喷口处会合，最终排入大气。
　　涵道比，是涡扇发动机工作时，外涵道与内涵道的空气流量之比。
　　2、涵道比对发动机性能有什么影响？
　　相比于涡喷发动机，在核心机参数相同的条件下，内涵道的工作情形与涡喷发动机完全相同。由于增加了外涵道，使发动机的总空气流量增加，总推力增大。同时在外涵道，只有风扇对空气做功，空气的流速较慢，温度较低，而内涵道排出的是高温高速燃气，内外涵道的气流混合之后，降低了混合气流的平均温度和平均速度，从而降低了燃气的能量损失和气动噪声。两种因素共同作用，在核心机参数相同的条件下，与涡喷发动机相比，涡扇发动机的推力更大、经济性更好、噪声更小。
　　不难想象，涵道比越大，也即外涵道的空气流量越大，涡扇发动机的优势也就越明显。但是，与此同时，也带来了一个问题，这就是随着外涵道空气流量的增大，其迎风面积也随之增大，发动机阻力随之增大。综合权衡，高涵道比发动机适用于对经济性敏感的亚声速民航客机和运输机，低涵道比发动机适用于对推力特性敏感的超声速战斗机。
　　波音787飞机的涵道比大于10
　　F-22战斗机的发动机涵道比小于1
　　3、变涵道比发动机的研制有什么进展？
　　归根结底，发动机的涵道比与内、外涵道的流通面积有关。目前，绝大多数涡扇发动机的涵道比都是固定的。
　　既然大涵道比发动机具有更好的经济性，小涵道比发动机具有更好的推力特性，一个很自然的想法就是能否研制出一种发动机，即适用于高速飞行、也适用于低速飞行，这就是自适应变循环发动机的最初创意。
　　20世纪70年代，美国率先提出了变循环发动机的概念，并在这一领域始终保持领先态势。
　　变循环发动机的基本想法是，通过改变一些部件的几何形状、尺寸或位置，来调节其热力循环参数（如增压比、涡轮进口温度、空气流量和涵道比），改变发动机循环工作模式（高推力或低油耗），使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态。与此相适应，变循环发动机能以多种模式（包括涡轮模式、涡轮风扇模式和冲压模式等）工作，因而在亚声速、跨声速、超声速和高超声速飞行状态下都具有良好的性能。难点在于，航空发动机在高温、高压和高转速下工作，涡轮等部件时常接近材料的使用极限和工艺的加工极限，在这种极端严苛的条件下，稍有差池就将影响发动机的稳定工作，甚至安全。
　　目前，变循环发动机的研究已经进入了第五代。近期，美国GE公司宣布，计划用于下一代战斗机的XA100-GE-100自适应循环发动机已于2021年5月13日完成高空台台架测试，结果符合预期。
　　据介绍，XA100发动机采用三涵道设计，通过调整第三涵道改变涵道比，实现发动机模式切换。超声速巡航时，减小涵道比，增大推力，进入＂涡喷＂（高推力）模式，亚声速巡航时，增大涵道比，降低油耗和噪音，进入＂涡扇＂（高效率）模式。此外，当工作环境变化时，也能自适应调整涵道比。
　　美国GE公司的XA100自适应变循环发动机
　　4、变涵道比发动机的理想境界是什么？
　　目前来看，通过变涵道比实现变循环，是一种比较现实的方法。
　　涵道比的概念，是在涡扇发动机问世后才建立的。回过头来，涡扇发动机具有普遍意义，涡喷发动机和涡桨发动机都可以看做是涡扇发动机的特例。
　　涡喷发动机原理图
　　涡喷发动机可以看做是涡扇发动机涵道比等于零时的特例。涵道比等于零，即外涵道空气流量为零，进入发动机的空气全部进入内涵道，此时涡扇发动机在工作原理上就蜕变为了涡喷发动机。
　　涡桨发动机原理图
　　涡桨发动机可以看做是涡扇发动机涵道比趋于无穷大时的特例。当涵道比趋于无穷大时，意味着保留风扇、去掉了外涵道壳体（外涵道壳体趋向无穷远），此时涡扇发动机在原理上就蜕变为了涡桨发动机。
　　三者相比，涡桨发动机的经济性最好，涡喷发动机的推力特性最好，涡扇发动机居中。如果能够实现涡扇发动机的涵道比在零到无穷之间可调，则涡扇发动机就可以具有比目前的自适应变循环发动机更为优越的综合性能。当然，这只是一种理论上的趋势分析，实现起来要比目前的自适应变循环发动机困难得多。
　　理想，就是确立一个大目标，激励人们不断前进。航空人已经习惯于在山重水复中，迎来柳暗花明。我们会竭尽全力！