涡扇发动机、定子和转子组合、增压的原理是什么？ 第1页

涡喷、涡扇、涡桨、涡轴、桨扇都是燃气涡轮发动机
其核心机的压气机有两种压缩空气方式
一种是轴流式，一种是离心式
当然还有轴流叶片（转子）+离心叶轮的组合方式

轴流式压气机和离心式压气机示意图

Turbine Engines
涡轮喷气发动机结构示意图

GE J79轴流式涡轮喷气发动机的压缩机（下图）
美国参加过越战和中东战争的F4鬼怪战斗机的发动机
单轴17级叶片压气机+3级涡轮
下图比较清晰的可以看出
定子固定在发动机框架上，转子由轴与涡轮相连
转子和定子的叶片大小、数量及方向随着涵道越来越深入（从右往左）而变化
涵道空间在缩小，叶片也在变小变密
空气在这个过程中被压缩
https://www.youtube.com/watch?v=yaFeO6Jze64

先看几个能看到内部结构的涡扇发动机的图
前四个是轴流式压气机，最后一个是离心式压气机

PW6000涡扇发动机
压气机中包含4级低压叶片+6级高压叶片
同样涡轮部分包含1级高压和3级低压
低压和低压共轴，高压和高压共轴，所以是双轴
进气口风扇和低压轴共轴

PW1000G涡扇发动机
同样是双轴，但是低压轴并不直接驱动风扇
而是通过变速齿轮箱减速驱动风扇
该压气机包含3级低压叶片和8级高压叶片
涡轮部分包含2级高压和3级低压

EA.GP7200涡扇发动机
同样是双轴，压气机包含5级低压叶片和9级高压叶片
涡轮部分包含2级高压和6级低压

罗罗Trent800涡扇发动机
三轴高涵道比，低压轴驱动风扇和5级涡轮
中压轴包含8级中压叶片和1级中压涡轮
高压轴包含6级高压叶片和1级高压涡轮

GE本田联合生产HF120涡扇发动机
同样是双轴，只是高压轴上是一个离心式高压叶轮和1级高压涡轮
低压轴包含2级低压叶片和2级低压涡轮

压气机结构示意图
（不包含燃烧室和涡轮部分）

单轴轴流压气机结构示意图

双轴轴流压气机结构示意图

如今的涡扇发动机大多都有两个以上的轴
压气机中有低压转子和高压转子两部分
涡轮部分也同样有高压涡轮和低压涡轮
两部分并不直接相连
燃料和空气混合燃烧产生喷射气流推动涡轮旋转
从而驱动压气机中转子旋转
所以这需要定子来引导和改变气流的方向
才能在气流经过不同压力轴上的叶片或叶轮时
高低压轴都能被驱动
且定子叶片的方向和转子叶片的方向是成一定夹角相反的

具体为什么请看以下视频链接或动态图
解密涡轮转子和定子叶片作用

转子和定子叶片均为翼型截面，在同一排相邻叶片之间形成分流通道
定子的作用是通过使气流平行于轴线来增加压力并防止气流绕轴线旋转产生涡流
下图中可以看出同一级转子或同一级定子叶片与叶片之间
气流通道入口收缩，出口扩张
当气体流过翼型的转子和定子时，通道扩张，压力增大（静压）
气流的速度增加来自于转子部分的高速旋转（动压）
定子叶片去除产生的涡流，并将气流速度（动压）转换成静压
所以在定子部分气流速度减小，从而再次增加压力
简而言之
转子叶片负责将气流加速
定子叶片负责将气流减速，扩压和整流

因为动压与静压的转换，气体所占体积会随着压力的增加而下降
如果涵道截面积保持不变，流速会迅速下降
空气密度和压力逐级增大，压气机级数越靠后，进一步增压的难度也越大
所以压气机从进气口到排气口，涵道逐渐收敛，叶片长度逐渐缩短
叶片数量逐渐增加，叶片迎角逐渐降低

气流经过压气机内转子定子的逐级压力和流速变化图

由于摩擦和压力升高，温度也会升高
Engine Temperature Variation - ETR
发动机内温度变化

关于叶片设计

飞机机翼在攻角（迎角）超过某个临界值后
举力系数(升力)会随攻角增大而减小，也就是失速
同样，如果气流进入方向与转子叶片夹角过大或过小
叶片就会发生气流分离现象（失速）
随着叶片转动，分离气团会阻塞进气道
还会改变后方叶片气流的来向和平顺性
使失速叶片的范围逐渐扩大，从而导致发动机失速故障
所以叶片设计需要避免产生失速

理解失速和喘振：
Welcome To Combined Cycle Journal
发动机失速和喘振故障简介
进气攻角和叶片失速（下图）

叶片设计与转子转速密切相关，尤其是叶片的入射角（攻角）和偏转角
下图为基元级速度三角形
三角形用于计算经转子流入和流出时的有效气流方向
并相应地校准对齐定子叶片
Axial Flow Compressor: Construction, Operation, Velocity Triangle and Efficiency | Thermodynamics

轴流式压气机每级可增压1.2~1.5倍
离心式压气机每级可增压12~15倍，比轴流式更坚固，制造更容易，成本更低
由于轴流式压气机拥有更多级的转子定子，所以压缩比比离心式压气机高
同时轴向流动能产生更多的推力
轴流式压气机由于越靠后，增压难度越大
所以每个阶段的压缩比都比前一级低
总压缩倍率在增加，压缩比逐级递减

关于叶片类型
有三种叶片形状
Impulse 冲击式，Reaction反力式，Impulse-reaction冲击-反力式
冲击式叶片截面前缘后缘较薄，中间较厚
反力式叶片截面是翼型，前缘较厚，后缘较薄
冲击-反力式叶片则根部是冲击式，尖端是反力式的翼型
现代燃气涡轮发动机压气机内的叶片多数是冲击-反力式
大多数航空涡轮发动机的涡轮机的叶片也是冲击-反力式
燃气流经冲击式涡轮叶片只拐弯不膨胀
仅靠改变方向冲击驱动涡轮，效率不如反力式高
燃气流经反力式涡轮叶片，除了气流的冲击
还会通过叶片之间通道的收缩加速反作用以驱动涡轮

冲击式

反力式

冲击反力式

[图文]燃气涡轮发动机(3)

下图反映了冲击-反力式叶片从根部到尖端攻角的变化
攻角的变化导致气流通过时流速的不同

下图为J85 GE 17a 涡喷发动机
虽然压气机转子的叶片和涡轮叶片都是翼型
但却并不是同一种翼型
压气机和涡轮机叶片的转动方向是一致的
但其作用却不一样
图中可以看出两者叶片朝向相同
但是翼型叶片弯曲的凹面却相反

涡轮发动机内从进气口到喷口的压力，温度，流速变化图

注意：
以上讨论的是飞机在亚音速飞行时的情况
空气在亚音速和超音速时的流速压力关系是相反的
亚音速气流通过收缩管道时加速减压，通过扩散管道时，减速增压
超音速气流通过收缩管道时减速增压，通过扩散管道时，加速减压

相关PDF：
https://www.netl.doe.gov/sites/default/files/gas-turbine-handbook/2-0.pdf
扩展阅读：
【长知识】航空发动机涡轮叶片冷却技术的发展及关键技术