[科普中国]-核心气流

基本介绍发动机机基本结构

活塞发动机和燃气涡轮发动机都是内燃机，并且有一个类似的工作循环;即进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。空气被吸入并压缩，然后注入燃油进行燃烧，热的燃气然后膨胀，并且提供了超过压缩所需要的多余功率，最终排放出去。在活塞发动机和喷气发动机中，均通过增加进气量和压力比来提高工作循环的效率1。

喷气发动机是一种燃气涡轮发动机。喷气发动机通过把相对少量的空气加速至很高的速度从而产生推力，这与螺旋桨发动机相反，它是通过把大量的空气加速至较低的速度从而产生推力。一部分燃烧空气的膨胀发生在喷气发动机的涡轮部分，这为驱动压缩机提供了必要的功率，而其余的膨胀则发生在尾管的喷嘴中，它把燃气加速形成高速的喷流从而产生推力1。如下图所示

空气工作循环在理论上，喷气发动机更加简单，而且更直接地把热能(燃气的燃烧和膨胀)转换成机械能(推力)。活塞发动机或往复式发动机必须利用它的所有活动部件，才能把热能转换成机械能，然后通过旋转螺旋桨最终转换成推力。

喷气发动机相比活塞发动机的一个优势就是在高空和高速条件下喷气发动机能够产生非常巨大的推力。实际上，喷气发动机的效率随着高度和速度的增加而增加1。

尽管螺旋桨驱动的飞机不像喷气机那样有效率，特别是在现代航空所需要的更高的高度和巡航速度方面，而螺旋桨驱动的飞机相比喷气机为数不多的优势之一是几乎在起飞滑跑的开始就可以获得最大的推力。在起飞时，喷气发动机的最初输出推力相对较低，在达到较高的速度之前不会达到峰值效率。风扇喷气发动机或涡轮风扇发动机的发展帮助解决了这个问题，实际上，它是纯喷气发动机(涡轮喷气)和螺旋桨发动机之间的一个折中。

和其他燃气涡轮发动机一样，涡轮风扇发动机的核心是燃气发生器——它是发动机中产生热的高速燃气的部分。和涡轮螺旋桨类似，涡轮风扇有一个低压涡轮部分，它使用了燃气发生器产生的大部分能量。低压涡轮安装在穿过燃气发生器空心轴的同心轴上，并在发动机的前端把它连到一个导管风扇上1。

核心气流与外涵气流空气进入发动机，穿过风扇，并分离进入两个独立的气道。一些气流绕过发动机核心而环绕着流过，因此就像它的名字一样叫外涵空气;进入发动机给燃气发生器使用的空气是核心气流。绕过发动机核心的空气量与进入燃气发生器的空气量之比决定了涡轮风扇发动机的涵道比。涡轮风扇能够高效地把燃油转换为推力是因为它们产生了分布于大的风扇圆盘面积上的低压能量。而涡轮喷气发动机利用燃气发生器的全部输出以高速地排放喷气的形式产生推力，冷的低速外涵空气产生的推力占涡轮风扇发动机产生推力的30%～70%1。

工作原理发动机结构方案风扇导叶可调， 由低压涡轮驱动。核心机驱动风扇级导叶可以进行大角度调节， 由高压涡轮驱动。 在核心机驱动风扇级和高压压气机之间有一个核心涵道， 该涵道后有可变面积的涵道引射器， 前外涵和核心涵道的气流在此掺混后通过后涵道流向可变面积的后涵道引射器 ， 再与低压涡轮后的核心气流掺混， 进入加力燃烧室。 导向器可调的低压涡轮，可以调节高、低压涡轮之间的功分配以使发动机在两种模式下工作时都能得到最佳的转速匹配。后涵道引射器可以用于调节发动机总涵道比和风扇工作点2。

工作模式（1）单外涵模式： 选择阀门关闭， 前风扇出口的所有气体都将经过核心机驱动风扇级，核心机驱动风扇级的导叶开到最大来保证足够的流通能力， 气体大部分通过核心机，小部分气体通过核心涵道流到后涵道引射器， 在后涵道引射器的下游与核心气流混合。 低压涡轮导向器开到最大，保证核心机满足核心机驱动风扇增加功的需求。涵道引射器开大， 后涵道引射器和喷管喉道面积被设置为适当的大小来保持所需的涵道比和背压，以给加速或超音巡航状态提供高的单位推力。
2）双外涵模式：选择阀门打开，核心机驱动风扇级的导叶关小来减小核心机空气流量， 增大总涵道比。 涵道引射器被调节到适当的位置来保证内外涵道的静压平衡。 低压涡轮导向器关小来减轻核心机的负荷，增大低压转子的负荷。 后涵道引射器和喷管喉道面积被设置为适当的大小来保持所需的涵道比和风扇背压，以给亚音巡航状态提供较小的耗油率2。

脉冲爆震加力燃烧室2001 年，Mawid 等3在现有涡扇发动机基础上对加力燃烧室进行了改造，采用环形混合器、沿周向均匀分布 18 个多层脉冲爆震管，如图 5 所示。该研究在确定的海平面静态推力条件和确定的发动机尺寸下进行。根据流经脉冲爆震加力燃烧室的发动机核心气流比例，同样通过采用多维 CFD 和循环分析，进行带有脉冲爆震加力燃烧室的涡扇发动机性能的计算。然而，结果显示相比常规加力涡扇发动机，其推力略微降低。Mawid 将这种性能降低的原因归结为：

（1）通过脉冲爆震加力燃烧室内部核心气流增加，导致初始混合油气比的降低；

（2）在推力分析中忽略了脉冲爆震排气流动量4。