涡扇发动机风扇的改进-超级军网

涡扇发动机的产生与涡喷发动机密不可分，可以认为就是涡喷发动机再加个风扇而已。但涡扇发动机却有许多涡喷发动机无法达到的优点，如效率高，油耗低，飞机的航程更远等。当然缺点也同样存在，设计难度大，结构复杂，特别是新增风扇后产生的问题。下面大部分是来自百度百科的内容《涡扇发动机》（http://baike.baidu.com/view/741448.htm），本人予以部分整理摘用。

在上世纪五六十年代，人们在设计第一代涡扇发动机的时候遇到了很大的困难。
首先是大直径的风扇与小直径的低压压气机联动以后风扇叶片的翼尖部分的线速度超过了音速，所以风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。

为了解压气机和风扇转数上的矛盾，人们设计了三转子结构，就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转。低压压气机的转速由于不受风扇的制肘，它的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂，特别轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难，多了很多工程上的难题，所以仅罗罗公司一家目前生产这个。

其次，涡喷变涡扇不仅存在风扇与压气机之间的矛盾，风扇的本身就突显出重大问题。
当风扇叶片变的细长之后，风扇叶片的机械强度降低，容易吸入了外来物如飞鸟之类而损坏。当叶片弯曲、扭转应力加大后，在工作中振动的问题也突现了出来。虽然普惠公司采用了阻尼凸台的方法来减少风扇叶片所带来的振动，但其增加叶片重量和降低风扇效率等缺点也是明显的，也会产生更大的离心力而使叶片很难做的更长。

解决风扇难题一个比较完美的办法是加大风扇叶片的宽度和厚度。这样叶片就可以获得更大的强度以减少振动和外来物打击的损害，阻尼凸台也可以取消。但更厚重的扇叶其运转时的离心力也将是巨大的，这样就必需要加强扇叶和根部和安装扇叶的轮盘，但航空发动机负不起这样的重量代价。风扇的更高的转数、更大的机械强度、更长的叶片、更轻的重量这样的一个多难的问题最终在八十年代初得到了解决。　　1984年10月，RB211-535E4挂在波音七五七的翼下投入了使用。它是一台有着跨时代意义的涡扇发动机，罗•罗公司设计的风扇叶片叫作“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片”，以极轻的重量获得了极大的强度，扇叶的数量也减少了将近三分之一。

解决宽弦风扇的问题并不是只有空心结构这一招。实际上，当风扇的直径进一步加大时，空心结构的风扇扇叶也会超重。比如在波音777上使用的GE-90涡扇发动机，其风扇的直径高达3.142米。即使是空心蜂窝结构的钛合金叶片也会力不从心。于是通用动力公司便使用先进的增强环氧树脂碳纤维复合材料来制造巨型的风扇扇叶。碳纤维复合材料所制成的风扇扇叶结构重量极轻，而强度却是极大。可是在当复合材料制成的风扇在运转时遭到特大鸟的撞击会发生脱层现像。为了进一步的增大GE-90的安全系数，通用动力公司又在风扇的前缘上包覆了一层钛合金的蒙皮，在其后缘上又用“凯夫拉”进行缝合加固。如此以来GE-90的风扇可谓万无一失。
可是，风扇问题的解决并没有完全化解风扇与压气机之间的矛盾，虽然有三转子的涡扇发动机，但仅罗罗公司一家，太复杂。双转子的涡扇发动机的风扇与压气机之间存在的问题如何解决，似乎还没有明确的定论，似乎还是互相将就对方。因此，这留给我们无限的创意空间，需要我们后人无尽的智慧来完善。
其实，在布衣眼里，军用小涵道比的涡扇发动机就是涡喷发动机再加个风扇，而民（军）用大涵道比的涡扇发动机就是个涡轴发动机再加个风扇，都是与风扇有关，所以这个风扇是非常重要的。如果把涡扇发动机的风扇换成我设计的多环分级式推力风扇，就可以解决双转子涡扇发动机中的风扇与低压压气机组之间的矛盾了。
如下图所示，把涡扇发动机的风扇换成我设计多环分级式推力风扇，共有两级，第一级圆心扇做为涡扇发动机内涵道风扇，第二级环形扇做为涡扇发动机外涵道风扇，用一根驱动轴把两级风扇的外缘给联通起来，这样内外涵道风扇的外缘线速度都一样了。第一级的圆心扇做为涡扇发动机内涵道风扇，它与涡扇发动机的低压压气机串联一起同步旋转，就像低压压气机叶片一样。即使低压压气机叶片尖达到音速，在驱动轴的同步联动下外涵道环形风扇外缘的线速度也与内涵道风扇外缘一样，也只达到音速。

这样的风扇有许多好处，是传统风扇所不具备的。
首先就是内涵道风扇与外涵道风扇的外缘线速度相同，内涵道风扇与低压压气机联动，这样低压压气机的转数也能上去，内涵道核心机的进气效率也能提高，就可以减少低压压气机组的级数。
其次而外涵道涡扇也可以加大半径而不影响低压压气机的转数，这样，产生的推力也大了。风扇与低压压气机组不必再互相将就对方，因为二者再也不发生矛盾了。
第三是由于外涵道风扇与传统风扇安装方式（拉叶片）相反，属于推扇叶片的安装形式，是扇叶片外缘最宽处固定在环形轴承上，结构更坚固，抗离心力能力加强，可靠性更好，抗撞击能力加强，不怕鸟的撞击。
第四是由于是从原理上的改进，是从结构上进步，所以不用昂贵的特殊的材料，发动机更经济实用。
所以，这种改进型的风扇非常适合高涵道比大推力涡扇发动机。不知我这个设想是否实用？
当然，此设计可能并非完美，比如风扇外缘齿合同步驱动的可行性，有网友就提到此驱动轴转数可能高达每分钟几万转或更高，但我想这是可以解决的，比方说我所知道的电机转数就可以达到8万转每分。遇到我问题可能很多，关键是原理是否可行，其它都是可以克服的。

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2012-8-27 20:05 上传

涡扇发动机的产生与涡喷发动机密不可分，可以认为就是涡喷发动机再加个风扇而已。但涡扇发动机却有许多涡喷发动机无法达到的优点，如效率高，油耗低，飞机的航程更远等。当然缺点也同样存在，设计难度大，结构复杂，特别是新增风扇后产生的问题。下面大部分是来自百度百科的内容《涡扇发动机》（http://baike.baidu.com/view/741448.htm），本人予以部分整理摘用。

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2012-8-27 20:05 上传

在上世纪五六十年代，人们在设计第一代涡扇发动机的时候遇到了很大的困难。
首先是大直径的风扇与小直径的低压压气机联动以后风扇叶片的翼尖部分的线速度超过了音速，所以风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。

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2012-8-27 20:05 上传

为了解压气机和风扇转数上的矛盾，人们设计了三转子结构，就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转。低压压气机的转速由于不受风扇的制肘，它的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂，特别轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难，多了很多工程上的难题，所以仅罗罗公司一家目前生产这个。

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2012-8-27 20:05 上传

其次，涡喷变涡扇不仅存在风扇与压气机之间的矛盾，风扇的本身就突显出重大问题。
当风扇叶片变的细长之后，风扇叶片的机械强度降低，容易吸入了外来物如飞鸟之类而损坏。当叶片弯曲、扭转应力加大后，在工作中振动的问题也突现了出来。虽然普惠公司采用了阻尼凸台的方法来减少风扇叶片所带来的振动，但其增加叶片重量和降低风扇效率等缺点也是明显的，也会产生更大的离心力而使叶片很难做的更长。

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2012-8-27 20:05 上传

解决风扇难题一个比较完美的办法是加大风扇叶片的宽度和厚度。这样叶片就可以获得更大的强度以减少振动和外来物打击的损害，阻尼凸台也可以取消。但更厚重的扇叶其运转时的离心力也将是巨大的，这样就必需要加强扇叶和根部和安装扇叶的轮盘，但航空发动机负不起这样的重量代价。风扇的更高的转数、更大的机械强度、更长的叶片、更轻的重量这样的一个多难的问题最终在八十年代初得到了解决。　　1984年10月，RB211-535E4挂在波音七五七的翼下投入了使用。它是一台有着跨时代意义的涡扇发动机，罗•罗公司设计的风扇叶片叫作“宽弦无凸肩空心夹层结构叶片”，以极轻的重量获得了极大的强度，扇叶的数量也减少了将近三分之一。

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2012-8-27 20:10 上传

解决宽弦风扇的问题并不是只有空心结构这一招。实际上，当风扇的直径进一步加大时，空心结构的风扇扇叶也会超重。比如在波音777上使用的GE-90涡扇发动机，其风扇的直径高达3.142米。即使是空心蜂窝结构的钛合金叶片也会力不从心。于是通用动力公司便使用先进的增强环氧树脂碳纤维复合材料来制造巨型的风扇扇叶。碳纤维复合材料所制成的风扇扇叶结构重量极轻，而强度却是极大。可是在当复合材料制成的风扇在运转时遭到特大鸟的撞击会发生脱层现像。为了进一步的增大GE-90的安全系数，通用动力公司又在风扇的前缘上包覆了一层钛合金的蒙皮，在其后缘上又用“凯夫拉”进行缝合加固。如此以来GE-90的风扇可谓万无一失。
可是，风扇问题的解决并没有完全化解风扇与压气机之间的矛盾，虽然有三转子的涡扇发动机，但仅罗罗公司一家，太复杂。双转子的涡扇发动机的风扇与压气机之间存在的问题如何解决，似乎还没有明确的定论，似乎还是互相将就对方。因此，这留给我们无限的创意空间，需要我们后人无尽的智慧来完善。
其实，在布衣眼里，军用小涵道比的涡扇发动机就是涡喷发动机再加个风扇，而民（军）用大涵道比的涡扇发动机就是个涡轴发动机再加个风扇，都是与风扇有关，所以这个风扇是非常重要的。如果把涡扇发动机的风扇换成我设计的多环分级式推力风扇，就可以解决双转子涡扇发动机中的风扇与低压压气机组之间的矛盾了。
如下图所示，把涡扇发动机的风扇换成我设计多环分级式推力风扇，共有两级，第一级圆心扇做为涡扇发动机内涵道风扇，第二级环形扇做为涡扇发动机外涵道风扇，用一根驱动轴把两级风扇的外缘给联通起来，这样内外涵道风扇的外缘线速度都一样了。第一级的圆心扇做为涡扇发动机内涵道风扇，它与涡扇发动机的低压压气机串联一起同步旋转，就像低压压气机叶片一样。即使低压压气机叶片尖达到音速，在驱动轴的同步联动下外涵道环形风扇外缘的线速度也与内涵道风扇外缘一样，也只达到音速。

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多环分级推力风扇

2012-8-27 20:03 上传

这样的风扇有许多好处，是传统风扇所不具备的。
首先就是内涵道风扇与外涵道风扇的外缘线速度相同，内涵道风扇与低压压气机联动，这样低压压气机的转数也能上去，内涵道核心机的进气效率也能提高，就可以减少低压压气机组的级数。
其次而外涵道涡扇也可以加大半径而不影响低压压气机的转数，这样，产生的推力也大了。风扇与低压压气机组不必再互相将就对方，因为二者再也不发生矛盾了。
第三是由于外涵道风扇与传统风扇安装方式（拉叶片）相反，属于推扇叶片的安装形式，是扇叶片外缘最宽处固定在环形轴承上，结构更坚固，抗离心力能力加强，可靠性更好，抗撞击能力加强，不怕鸟的撞击。
第四是由于是从原理上的改进，是从结构上进步，所以不用昂贵的特殊的材料，发动机更经济实用。
所以，这种改进型的风扇非常适合高涵道比大推力涡扇发动机。不知我这个设想是否实用？
当然，此设计可能并非完美，比如风扇外缘齿合同步驱动的可行性，有网友就提到此驱动轴转数可能高达每分钟几万转或更高，但我想这是可以解决的，比方说我所知道的电机转数就可以达到8万转每分。遇到我问题可能很多，关键是原理是否可行，其它都是可以克服的。

内环和外环叶片转速不一致的话，会出现可怕的涡流现象。。。

首先肯定楼主勤于思考。
楼主的方案其实就是一种变相的GTF。
个人浅见：外圈风扇的支持会是一个致命的难题。

又是技术贴了，搬凳学习了

内外圈结合部分的材料要求超出现有的能力之外了。

爪机表示抗议：楼主的外涵道风扇悬空ing

又见楼主万能的驱动轴。

其实楼主的很多想法在原理上没任何问题，都是工程可实现性上的问题，具体的来说就是结构强度，材料，应力，弹性变形，刚度，失稳，甚至可能还有蠕变，还有就是紊流和湍流，流体力学、工程力学和工程材料学发展了这么多年，就是要解决这些问题的。

又见楼主万能的驱动轴。

其实楼主的很多想法在原理上没任何问题，都是工程可实现性上的问题，具体的来说就是结构强度，材料，应力，弹性变形，刚度，失稳，甚至可能还有蠕变，还有就是紊流和湍流，流体力学、工程力学和工程材料学发展了这么多年，就是要解决这些问题的。

想法很好，但是考虑过没？外圈风扇如何传递力？用进气道前缘？

对制造难度表示观望态度……

LZ的专业思考精神值得敬佩。。。。努力理解LZ的思路。。。

外缘线速度相同，我只好说我是地球人，超出了我理解能力。

即使可以做到，也是增重一大把产生乱流。

好了，理解了。

请楼主用简单数学算一下你那根轴的转速是多少，呵呵。

2012-8-27 22:24 上传

，结构也简单

支持一下LZ的研究精神，虽然我看不懂啊，看不懂，但看起来好像很强大的样子

有想法才会有进步

我叉，我个外行都看懂了，你那个驱动轴转速得多少才能支撑外层的扇子高速转动，那可靠性不知道多悲剧，即便工程有实现可能性，到时候震爆发动机什么的，磁流体推进什么的科幻玩意儿都出生了。

gyggyg2010 发表于 2012-8-27 22:24
我有一个想法不知可行否，就是利用涡感现象，这样就省掉传动机构
具体传输功率可调节磁铁和线圈的数量，如 ...
你不妨算算需要多大的磁力才能带动每分钟几千转的风扇。

足以爆掉你任何的航电。

板斧发表于 2012-8-27 22:36
我叉，我个外行都看懂了，你那个驱动轴转速得多少才能支撑外层的扇子高速转动，那可靠性不知道多悲剧，即便 ...
不要说机械上的可靠性，就用简单的热涨冷缩来说，两头连接处每分钟几万转的温度多少，变形多少。材料变热后的强度还有多少。

如果温度太高，还得加个冷却系统。

这还是仅仅一个传动杆带来的血案，还没考虑外风扇的受力和涡流对发动机的影响。

目前没有提高风扇进气量的必要了，未来的方向已经很明确了，就是提高涵道比。

johnqh 发表于 2012-8-27 22:41
你不妨算算需要多大的磁力才能带动每分钟几千转的风扇。

足以爆掉你任何的航电。
一个想法而已，我哪点物理早随孩儿他姥爷驾鹤西去了，话又说回来了你算了嘛？

应该不是工科生。只有非工科生才认为问题出在别人没想到，而不是如何做到。简言之，认为工程基本靠想

gyggyg2010 发表于 2012-8-27 22:24
我有一个想法不知可行否，就是利用涡感现象，这样就省掉传动机构
具体传输功率可调节磁铁和线圈的数量，如 ...
发电机:D 乃不会也是学电气的吧

有个问题要达到你说的效果要很大的线圈的太重了

johnqh 发表于 2012-8-27 22:41
你不妨算算需要多大的磁力才能带动每分钟几千转的风扇。

足以爆掉你任何的航电。
除非用超导线圈

学习了。

劳斯莱斯有行星齿轮传动的双轴三转子大涵道比涡扇了，用不着LZ这种线速度接近音速的线型齿轮传动

技术贴………受教了。感觉原理上可行，主要工程问题。造不出来。而且尤其是那根轴，高速旋转状态下，也有振动问题。

化冻鸡小白~占座学习了

外风扇和内风扇中用什么东西隔开，这个间隔的东西又怎么固定?。

加了减速机构的如同桨扇发动机，在推力和油耗方面均可以兼顾，其优缺点也如同桨扇发动机一样

gyggyg2010 发表于 2012-8-27 22:24
我有一个想法不知可行否，就是利用涡感现象，这样就省掉传动机构
具体传输功率可调节磁铁和线圈的数量，如 ...
你这个方案好，简单又实用

在双轴涡扇发动机中，风扇和低压压气机是一个东西，转速不匹配对压缩比的影响其实不是很大。真正麻烦的问题是低压涡轮和风扇的配合，涡轮在低转速时效率比较低，带不动大的风扇，需要6-8级低压涡轮一起带动，引入GTF之后，低压涡轮可以工作在比较高的速度，只需要3-4级串联即可，减轻了不少重量，结构方面的改动也比较小。

工程上，这个可以用别的方法解决，不一定非得要那个轴

不太明白外圈风扇的固定问题怎么解决，纯粹靠内外沿两圈齿轮？这个似乎不太牢固吧？

觉得GTF的齿轮传动是个非常好的解决方法，让风扇和低压压气机全部工作在最合适的转速上

叶盘齿轮与传动杆齿轮以每秒300米的线速度摩擦碰撞，太好玩了，你猜运行多少分钟后冒烟

用磁悬浮轴承能提高效率么?

增重问题比较突出。

首先肯定楼主勤于思考。
楼主的方案其实就是一种变相的GTF。
个人浅见：外圈风扇的支持会是一个致命的难题。

精加工还是个问题

楼主，我的学流体力学搞水电工程的爹看过你的方案表示你把事情搞复杂了。依照你的思路，不防只接把内外叶片直接固定在环上，等于给叶片中间增强。这样做应该不会超出g e 普惠等工程师的思想吧？

36楼和3楼遥相呼应。

或原假发表于 2012-8-28 19:35
楼主，我的学流体力学搞水电工程的爹看过你的方案表示你把事情搞复杂了。依照你的思路，不防只接把内外叶片 ...
和我看了后的想法相似，我的更简单一点就是给现在的风扇直接加个外环即可，音速问题还是用现有的办法解决，这样叶片强度的问题有较好的改善，又不会比现在的设计有太大的改变。