渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理以及使用注意事項(xiàng)解析

渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)用途廣泛、市場(chǎng)巨大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和科技進(jìn)步具有重大推動(dòng)作用和戰(zhàn)略意義。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)）的優(yōu)點(diǎn)是推力大、推進(jìn)效率高、噪音低、燃油消耗率低、飛機(jī)航程遠(yuǎn)。尤其大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能與適航要求更高、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性更好。

一．渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

圖：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

空氣經(jīng)過風(fēng)扇后分成兩路：一路是內(nèi)涵氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，對(duì)氣體做功使氣體的壓力升高、容積減小，空氣被壓縮的越厲害會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱效率越高。如果是兩級(jí)壓縮機(jī)的高壓壓氣機(jī)，其壓縮進(jìn)入核心發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，在燃油被加入到核心發(fā)動(dòng)機(jī)后與核心發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣混合，同時(shí)被點(diǎn)燃并燃燒。混合氣體燃燒過程中溫度升高，壓力基本不變，體積迅速增大，產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入渦輪中持續(xù)膨脹，膨脹的氣體到達(dá)噴管后繼續(xù)膨脹。在整個(gè)氣體膨脹過程中，渦輪要從燃?xì)庵刑崛〔糠帜芰?，剩下的熱能一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使燃?xì)飧咚賴姵?，還有一部分熱能隨燃?xì)馀诺簦@一過程中的壓力和溫度下降，體積不斷增加。另一路是外涵氣流，風(fēng)扇后空氣經(jīng)外涵道直接排入大氣或同內(nèi)涵燃?xì)庖黄鹪趪姽芘懦觥u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力就是利用從尾噴口出來時(shí)的氣體完全膨脹的情況獲得的。

風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速提供N1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提供N2發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)（如果是三個(gè)壓氣機(jī)的N2代表中壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，N3代表高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速），其中N1和N2參數(shù)以百分比顯示當(dāng)先轉(zhuǎn)速（見圖1）。

二.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要組成

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括風(fēng)扇、進(jìn)氣道、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)燃燒室、驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的高壓渦輪、驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的低壓渦輪、尾噴管（見圖2～3）、附件傳動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火和起動(dòng)系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制FADEC、空氣系統(tǒng)、反推系統(tǒng)等。

圖：羅羅三轉(zhuǎn)子的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

圖：Trent700? ??A330的發(fā)動(dòng)機(jī)

三．介紹FADEC工作情況

全權(quán)數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)FADEC（Full Authority Digital Engine Control System）是一個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)，F(xiàn)ADEC的功能是可以執(zhí)行完整的發(fā)動(dòng)機(jī)管理，包含兩個(gè)冗余通道，一個(gè)通道生效而另一個(gè)通道備用。如果一個(gè)通道失效，另一個(gè)自動(dòng)接替控制。以空客330的FADEC為例：

●氣體生成控制（控制燃油流量，加速及減速計(jì)劃，可調(diào)節(jié)葉片/可調(diào)節(jié)入口導(dǎo)向葉片和引氣活門程序安排，控制渦輪間隙，慢車調(diào)定值）；

●發(fā)動(dòng)機(jī)超過極限保護(hù)（N1、N2超速保護(hù)，渦輪超速，在地面發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度EGT監(jiān)控）；

●推力管理（自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)，自動(dòng)恢復(fù)到N1狀態(tài)，推力參數(shù)極限計(jì)算，基于推力手柄位置的手動(dòng)推力管理，推力自動(dòng)管理）；

●發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)順序（控制：起動(dòng)活門、高壓燃油活門、燃油流量、點(diǎn)火，N1、N3、燃油量和EGT監(jiān)控，起始起動(dòng)中止和循環(huán)，自動(dòng)重新點(diǎn)火和快速重新點(diǎn)火功能）；

●人工起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)順序（被動(dòng)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)，控制：起動(dòng)活門、高壓燃油活門、點(diǎn)火）；

●反推控制（作動(dòng)阻流器整流早，反推操作時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定）；

●傳給駕駛艙指示器的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控信息（主要發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，起動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)，反推系統(tǒng)的狀態(tài)，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)的狀態(tài)，次發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)）；

●計(jì)算已用的燃油（燃油流量整合）；

●發(fā)動(dòng)機(jī)熱度管理（控制渦輪機(jī)匣、軸和齒輪箱冷卻）；

●FADEC冷卻；

●失效的探測(cè)、隔離和記錄；

●風(fēng)扇失速保護(hù)（起飛調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)加速程序：該邏輯保證在起飛滑跑過程中自動(dòng)設(shè)置一個(gè)逐漸大的推力，失速該出邏輯：當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)扇失速，觸發(fā)由燃油流量減少和變距定子葉片重新組成的恢復(fù)邏輯）；

●保護(hù)區(qū)域外邏輯（在地面當(dāng)速度低于80節(jié)時(shí)，為了防止風(fēng)扇不穩(wěn)定，該邏輯避開1.16～1.28EPR范圍內(nèi)穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)操作，而在N1速率方式下，避開區(qū)域取決于外界條件）。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式在人工方式時(shí)，飛行員使用推力手柄來設(shè)置推力；起動(dòng)模式在自動(dòng)方式下由FMGS設(shè)置推力；FADEC在人工和自動(dòng)方式下防止推力超過推力手柄位置的額定極限。

四．發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的監(jiān)控

滑油限制數(shù)據(jù)里面的最高、最低溫度主要是監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑情況是否正常。如果滑油溫度過低或粘度過大均會(huì)增加傳動(dòng)力矩，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等零部件；滑油溫度過高表示可能有滑油泄漏或傳動(dòng)部件損壞等，滑油溫度是監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常的重要指標(biāo)。

參見運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25第25.1011條總則：(a)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)必須有獨(dú)立的滑油系統(tǒng)，在不超過安全連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度值的情況下，能向發(fā)動(dòng)機(jī)供給適量的滑油。(b)可用滑油量不得小于飛機(jī)在臨界運(yùn)行條件下的續(xù)航時(shí)間與同樣條件下批準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大允許滑油消耗量的乘積，加上保證系統(tǒng)循環(huán)的適當(dāng)余量。

所以發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要注意監(jiān)控滑油溫度、滑油壓力和滑油量指示是否在限制范圍內(nèi)。

五．常見發(fā)動(dòng)機(jī)故障

發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障有壓氣機(jī)失速、壓氣機(jī)喘振、起動(dòng)懸掛、起動(dòng)超溫或熱起動(dòng)、冷起動(dòng)等。

●壓氣機(jī)失速? 指壓氣機(jī)葉片因氣流分離導(dǎo)致的失速（STALL）現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片失速，失速的葉片不能將發(fā)動(dòng)機(jī)前部的氣流壓縮至發(fā)動(dòng)機(jī)的后部。在某些情況可能會(huì)出現(xiàn)氣流中斷，壓氣機(jī)末端的高壓氣流反向流動(dòng)并從發(fā)動(dòng)機(jī)的前部排出。如果該情況出現(xiàn)，可能會(huì)立即出現(xiàn)推力的嚴(yán)重?fù)p失。

壓氣機(jī)失速可能的原因：壓氣機(jī)性能降級(jí)（例如，壓氣機(jī)葉片破裂，或嚴(yán)重磨損），吸入外來物或冰，引氣系統(tǒng)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)操作系統(tǒng)故障。

發(fā)動(dòng)機(jī)失速的現(xiàn)象：一次或幾次巨響，瞬間失去推力導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)波動(dòng)，EGT偏高，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)指示偏高，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和尾噴管可能看見火焰，駕駛艙有刺鼻的氣味。

●壓氣機(jī)喘振? 是指氣流沿壓氣機(jī)軸線發(fā)生的低頻率、高振幅（強(qiáng)烈的壓力和空氣流量波動(dòng)）的氣流振蕩現(xiàn)象。喘振會(huì)造成工作葉片振動(dòng)，如果劇烈振動(dòng)，在葉片產(chǎn)生很大的應(yīng)力，造成工作葉片和靜子葉片的疲勞斷裂。喘振時(shí)由于氣流倒流，使進(jìn)入燃燒室的空氣減少，會(huì)造成排氣溫度升高或超溫，從而損壞燃燒室和渦輪葉片。

壓氣機(jī)喘振的原因：是壓氣機(jī)的空氣流量不能與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。

喘振的現(xiàn)象：會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，有時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處會(huì)出現(xiàn)氣流吞吐現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)發(fā)出低沉的噪音、嚴(yán)重時(shí)會(huì)有放炮聲。

●起動(dòng)懸掛? 是轉(zhuǎn)速未達(dá)到慢車之前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不增加或增加緩慢。

造成起動(dòng)懸掛的原因很多：剩余功率不夠（起動(dòng)機(jī)氣壓太低、起動(dòng)活門關(guān)閉早），壓氣機(jī)負(fù)荷太大，燃油系統(tǒng)供油出現(xiàn)問題，壓氣機(jī)外物損傷葉片導(dǎo)致氣流不足，高壓壓氣機(jī)和可變靜子控制計(jì)劃不正確，低轉(zhuǎn)速位置的葉片角度偏差太大導(dǎo)致空氣流量過低。

懸掛現(xiàn)象：可以看到起動(dòng)過程中點(diǎn)火伴隨著異常緩慢的加速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在慢車以下。

●起動(dòng)超溫或熱起動(dòng)? 是指發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，排氣溫度過高或超過最大允許值。

排氣溫度偏高的原因：壓氣機(jī)失速或喘振（這造成進(jìn)入燃燒室的空氣減少引起排氣溫度升高），壓氣機(jī)的放氣活門或可調(diào)靜子葉片的位置不合適（比如放氣活門沒有關(guān)閉造成過多的氣體被放掉，而進(jìn)入燃燒室的空氣減少，或可調(diào)靜子葉片沒有在合適的開度造成進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣減少），燃油系統(tǒng)的問題（發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)注入太多的燃油引起燃油控制系統(tǒng)故障），起動(dòng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度過高，起動(dòng)機(jī)空氣壓力太低（導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速太低以至于不能提供足夠的壓氣機(jī)氣流），發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中吸入了另一臺(tái)的熱排氣。

●濕（冷）起動(dòng)? ?當(dāng)噴射的燃油沒有被點(diǎn)燃時(shí)導(dǎo)致的點(diǎn)火失敗，其結(jié)果是起動(dòng)程序中止并且大量注入的燃油在燃燒室以液態(tài)形式留存。原因是點(diǎn)火系統(tǒng)存在故障，由于發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)通常只用其中一個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)濕（冷）起動(dòng)時(shí)飛行員應(yīng)該意識(shí)到點(diǎn)火系統(tǒng)存在故障。

六．發(fā)動(dòng)機(jī)使用中注意事項(xiàng)

飛行中常常遇到起動(dòng)好發(fā)動(dòng)機(jī)后，有的飛行員為了盡快起飛就加大油門甚至超過40%N1或者飛機(jī)很快進(jìn)入跑道起飛的情況，另外飛機(jī)落地后很快滑到停機(jī)位關(guān)車或者脫離跑道后立即關(guān)閉一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)單發(fā)滑行。表面上這樣操作發(fā)動(dòng)機(jī)都沒有問題，運(yùn)行手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)操作程序也僅僅提示滑行速度、提示使用大推力時(shí)注意飛機(jī)后方安全，廠家提供的手冊(cè)里并沒有說明暖機(jī)或冷機(jī)時(shí)間限制。關(guān)于暖機(jī)和冷機(jī)時(shí)間主要是考慮部件材料的熱脹冷縮，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都有要求，正常情況下在慢車狀態(tài)下暖機(jī)2～3分鐘或冷機(jī)2～3分鐘，這主要涉及壽命問題，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)廠給出的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命都是有條件的。如果遇到緊急狀態(tài)，則無(wú)需考慮暖機(jī)或冷機(jī)。由于有了FADEC的幫助，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作一般不會(huì)超過軸速限制和排氣溫度（EGT）限制，每款發(fā)動(dòng)機(jī)都有類似的規(guī)定，在發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)里有詳細(xì)說明。發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下通常都有對(duì)應(yīng)的EGT限制值。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都會(huì)留出一定的余量，但是超過發(fā)動(dòng)機(jī)限制值后必須報(bào)備并進(jìn)行專項(xiàng)的檢查?？傊魏尾僮骶鶓?yīng)嚴(yán)格遵守發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)中的規(guī)定。

除了正常的地面起動(dòng)之外還有空中起動(dòng)，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空中熄火后進(jìn)行的再次起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)都有自己的空中起動(dòng)包線，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后需要檢查當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)包線的范圍，在起動(dòng)包線之內(nèi)可完成再次起動(dòng)。在起動(dòng)包線內(nèi)還有兩種情況：一種情況是需要起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)才能完成的起動(dòng)；另一種情況是不需要起動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)車轉(zhuǎn)速下直接起動(dòng)。
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