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渦扇發動機工作原理（漫談渦扇發動機涵道比）

(相關資料圖)

20世紀60年代，渦扇發動機問世，并迅速地取代了渦噴發動機，成為軍民用飛機的主流發動機。

伴隨著渦扇發動機的普及，涵道比也成為了一個熱詞。

1、什么是渦扇發動機的涵道比？

渦扇發動機原理圖

渦扇發動機，按氣流通道可以分為內涵道和外涵道，內涵道就是一臺渦噴發動機，也稱作核心機，外涵道包括風扇與外涵道。

發動機工作時，氣流分別進入內、外涵道，并在發動機噴口處會合，最終排入大氣。

涵道比，是渦扇發動機工作時，外涵道與內涵道的空氣流量之比。

2、涵道比對發動機性能有什么影響？

相比于渦噴發動機，在核心機參數相同的條件下，內涵道的工作情形與渦噴發動機完全相同。由于增加了外涵道，使發動機的總空氣流量增加，總推力增大。同時在外涵道，只有風扇對空氣做功，空氣的流速較慢，溫度較低，而內涵道排出的是高溫高速燃氣，內外涵道的氣流混合之后，降低了混合氣流的平均溫度和平均速度，從而降低了燃氣的能量損失和氣動噪聲。兩種因素共同作用，在核心機參數相同的條件下，與渦噴發動機相比，渦扇發動機的推力更大、經濟性更好、噪聲更小。

不難想象，涵道比越大，也即外涵道的空氣流量越大，渦扇發動機的優勢也就越明顯。但是，與此同時，也帶來了一個問題，這就是隨著外涵道空氣流量的增大，其迎風面積也隨之增大，發動機阻力隨之增大。綜合權衡，高涵道比發動機適用于對經濟性敏感的亞聲速民航客機和運輸機，低涵道比發動機適用于對推力特性敏感的超聲速戰斗機。

波音787飛機的涵道比大于10

F-22戰斗機的發動機涵道比小于1

3、變涵道比發動機的研制有什么進展？

歸根結底，發動機的涵道比與內、外涵道的流通面積有關。目前，絕大多數渦扇發動機的涵道比都是固定的。

既然大涵道比發動機具有更好的經濟性，小涵道比發動機具有更好的推力特性，一個很自然的想法就是能否研制出一種發動機，即適用于高速飛行、也適用于低速飛行，這就是自適應變循環發動機的最初創意。

20世紀70年代，美國率先提出了變循環發動機的概念，并在這一領域始終保持領先態勢。

變循環發動機的基本想法是，通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調節其熱力循環參數（如增壓比、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比），改變發動機循環工作模式（高推力或低油耗），使發動機在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態。與此相適應，變循環發動機能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風扇模式和沖壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態下都具有良好的性能。難點在于，航空發動機在高溫、高壓和高轉速下工作，渦輪等部件時常接近材料的使用極限和工藝的加工極限，在這種極端嚴苛的條件下，稍有差池就將影響發動機的穩定工作，甚至安全。

目前，變循環發動機的研究已經進入了第五代。近期，美國GE公司宣布，計劃用于下一代戰斗機的XA100-GE-100自適應循環發動機已于2021年5月13日完成高空臺臺架測試，結果符合預期。

據介紹，XA100發動機采用三涵道設計，通過調整第三涵道改變涵道比，實現發動機模式切換。超聲速巡航時，減小涵道比，增大推力，進入“渦噴”（高推力）模式，亞聲速巡航時，增大涵道比，降低油耗和噪音，進入“渦扇”（高效率）模式。此外，當工作環境變化時，也能自適應調整涵道比。

美國GE公司的XA100自適應變循環發動機

4、變涵道比發動機的理想境界是什么？

目前來看，通過變涵道比實現變循環，是一種比較現實的方法。

涵道比的概念，是在渦扇發動機問世后才建立的?；剡^頭來，渦扇發動機具有普遍意義，渦噴發動機和渦槳發動機都可以看做是渦扇發動機的特例。

渦噴發動機原理圖

渦噴發動機可以看做是渦扇發動機涵道比等于零時的特例。涵道比等于零，即外涵道空氣流量為零，進入發動機的空氣全部進入內涵道，此時渦扇發動機在工作原理上就蛻變為了渦噴發動機。

渦槳發動機原理圖

渦槳發動機可以看做是渦扇發動機涵道比趨于無窮大時的特例。當涵道比趨于無窮大時，意味著保留風扇、去掉了外涵道殼體（外涵道殼體趨向無窮遠），此時渦扇發動機在原理上就蛻變為了渦槳發動機。

三者相比，渦槳發動機的經濟性最好，渦噴發動機的推力特性最好，渦扇發動機居中。如果能夠實現渦扇發動機的涵道比在零到無窮之間可調，則渦扇發動機就可以具有比目前的自適應變循環發動機更為優越的綜合性能。當然，這只是一種理論上的趨勢分析，實現起來要比目前的自適應變循環發動機困難得多。

理想，就是確立一個大目標，激勵人們不斷前進。航空人已經習慣于在山重水復中，迎來柳暗花明。我們會竭盡全力！