效率为王，风扇先行——涡轮风扇发动机_风闻

马氏体-02-12 20:32

2023-02-12

普惠JT9D是世界上第一款民用大涵道比涡轮风扇发动机，从1969年驱动波音747首飞起，一直生产到1990年，得益于材料的进步而持续改进，推力达到20～25吨，在航空发动机发展史上占据重要地位。

涡轮风扇发动机（涡扇）的高压压气机、燃烧室和高压涡轮三部分构成“核心机”。从本质上讲，核心机与单转子涡轮喷气发动机（涡喷）是一样的，早期的不少涡扇发动机其实就是由涡喷加装风扇得到的。

一款核心机，可以通过缩放尺寸和增加部件，变身为驱动客机、运输机、战斗机、直升机乃至海军舰艇的各种发动机。因此，核心机的研制在涡轮发动机的开发中占有重要地位。

在核心机中，高压压气机由同轴的高压涡轮驱动，两者构成高压转子。（以下为错误示范，请爱护博物馆展品）

JT9D-7发动机的涡轮进口温度约1100 ℃。前两级涡轮叶片内部空心，从压气机引入空气进行冷却。根据资料，第一级静叶表面还有密集的小孔排出空气（虽然我在实物上没有找到），形成一层低温气膜，隔开高温气流（即“气膜冷却 ”）。

此时现代意义上的热障涂层（NiCoCrAlY合金粘结层＋Y2O3稳定化ZrO2陶瓷层）还未发明，这台发动机的燃烧室涂的是NiAl合金层＋MgO稳定化ZrO2陶瓷层，叶片涂金属涂层。

早期JT9D发动机使用常规铸造叶片。随着对叶片耐热性要求的提高，开始使用定向凝固叶片，让晶粒沿着叶片轴向生长，减少（在高温下薄弱的）晶界。1982年，JT9D-7R4改进型首次在民用航空发动机中使用单晶叶片。

涡轮进口温度越高，燃油经济性越好。在当代的先进铸造、涂层、冷却技术加持下，顶尖发动机的涡轮进口温度已超过1600 ℃，甚至超过高温合金的熔点（纯镍熔点1453℃，镍基高温合金本身耐热温度最高约1100℃）。

从高压涡轮出来的气体仍然具有很高的能量。

涡喷发动机将这些气体直接喷出产生推力，但大量能量被排气直接带走而浪费掉，导致燃油效率低下。

在涡扇发动机中，高压涡轮后面还有低压涡轮，提取气流的能量，用于驱动风扇和低压压气机（构成低压转子）。

风扇其实就是放大版的压气机。空气经风扇压缩后，一部分流入低压压气机和核心机（内涵道），其余空气直接从发动机外壳与内涵道之间的环形空间（外涵道）排出。

外/内涵道的空气流量之比被称为“涵道比”。对于涵道比在4以上（先进发动机可达10左右）的大涵道比涡扇发动机，大部分推力由外涵道产生，燃油经济性好，因而得到客机的青睐。世界上第一款投入实用的大涵道比涡扇是美国通用电气公司为洛克希德C-5“银河”战略运输机开发的TF39发动机，JT9D则是普惠公司竞标失败后转为民用的产品（巧了，它最初的装机对象波音747也是由竞标C-5失败的设计转型而来的，军民用大飞机的研制就是相辅相成的关系）。

战斗机则采用小涵道比涡扇发动机以减小阻力。