为什么罗罗公司唯独研制三转子涡扇发动机
双转子发动机的缺点是风扇以及后续的增压级直径较大,转速不能太高,在发动机后面不得不匹配多级的低压涡轮以使得风扇的转速可以尽可能降低到最优的转速。这个问题的一个解决思路便是三转子,罗罗的看家本领。
你可以理解为再给风扇配一个涡轮驱动,使得低压、中压和高压三个转子都能尽可能的工作在最优的转速。但这样也会导致另外的问题,多一个轴就要多至少一个轴承,对发动机的可靠性,体积,布局和重量等都会提出挑战。
而罗罗的三转子发动机是被竞争对手逼起来的。因为军品市场规模有限,民航的北美合作伙伴又先考虑本国的GE和PW。面对这种尴尬的局面,罗罗决定凭借自己的真本事憋大招那就是——三转子发动机。当然,多一个转子就预示这多一个核心机,也就在匹配度上更难把握。
空气在发动机内的压力是不一样的。压气机进气口压力小,压气机出口压力大。轴流式压气机的转速和叶片与气流的角度应该随压气机的空气压力变化而相应变化。这样的压气机效率才是最高的。
在实际情况下,叶片是不可调的,只能靠调节转速来适应空气压力变化。
单轴的压气机,转速一样,为适应空气压力变化,只能使叶片角度不一样。尽量适应不同功率下的转速。这样的压气机级数不能太多,多了的话低压工作条件好,高压就差,反之高压工作条件好,低压就差。单转子压气机对空气压缩的程度就受到限制。供给燃烧室的空气就有限,发动机推力就有限。提高压气机单级叶片的压缩比也是有限的,也涉及到不同转速下的工作状态问题。
为了解决多级压气机的高低压级之间的问题,把压气机分成两部分:高压段和低压段,让它们分别在不同的转速下运转。只要解决了高低压段的气流耦合,就可以提高空气压缩比,增加发动机推力。这就是双转子涡轮喷气发动机。
第二代战斗机一般都采用双转子发动机,唯一例外的是J79发动机采用单转子。不过J79发动机的部分静子叶片是可调的。借以改善不同转速时的工作状态。
双转子压气机使得双涵道发动机有了可能。把低压压气机出来的气流分成两部分,一部分从发动机外留过,
一部分供给高压压气机,进入燃烧室。这就是双转子涡扇发动机。
进一步发展出来风扇、低压、高压的三段压气机。为了适应不同的转速,就有了三转子涡轮风扇发动机。
不过三转子发动机不仅结构复杂,三段之间的耦合也很困难。上一级压气机的变化对下一级影响较大。英国的三转子发动机RB199推力也不大,主要原因还是压气机级间的问题不好解决。特别是军用发动机,要求发动机工作状态要快速改变,适应战斗机的高难度飞行。英国罗罗公司为了搞RB211三转子发动机,差点破产。搞三转子发动机的动机就是为了省油,降低油耗。也是自恃有两把刷子,想掌握更高级的核心技术。
发动机转速
也有单转子涡扇发动机,法国的M53就是单转子发动机。所以推力难以提高,不到10吨,推重比也比较低,才6.5,和英美早期涡扇发动机差不太多。英美三代机的发动机推重比都在7.5~7.8左右。
现在一般都是风扇和低压段用一个轴,或减少低压段级数,乃至不用低压压气机,只有风扇和高压压气机。尽量简化结构。