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漫谈涡扇发动机涵道比 涡扇发动机工作原理

20世纪60年代，涡扇发动机问世并迅速取代涡喷发动机，成为军用和民用飞机的主流发动机 。
随着涡扇发动机的普及，涵道比成为了一个热词 。
1.涡扇发动机的涵道比是多少？
涡扇发动机示意图
涡扇发动机按气流通道可分为内涵道和外涵道 。内涵道是涡喷发动机，也称核心机，外涵道包括风扇和外涵道 。
发动机工作时，空气分别流入内外导管，在发动机喷嘴处汇合，最后排入大气 。
涵道比是涡扇发动机工作时，外涵道与内涵道的空气流之比 。
2.涵道比对发动机性能有什么影响？
与涡喷发动机相比，在核心发动机参数相同的情况下，内流道的工况与涡喷发动机完全相同 。增加了旁通，发动机的总空空气流量增加，总推力增加 。同时，在外旁通中，只有风扇对空气体做功，流速较慢，温度较低，而内旁通排出的是高温高速气体 。内外旁路中的气流混合后，混合气流的平均温度和平均速度降低，从而降低了气体的能量损失和气动噪声 。在核心发动机参数相同的情况下，涡扇发动机比涡喷发动机具有更高的推力、更好的经济性和更低的噪声 。
不难想象，涵道比越大，即外涵道的空风量越大，涡扇发动机的优势就会越明显 。但同时也带来了一个问题，就是随着外旁通空空气流量的增加，其迎风面积也随之增加，发动机阻力也随之增加 。综合平衡，高涵比发动机适用于对经济性敏感的亚音速民航客机和运输机，低涵道比发动机适用于对推力特性敏感的超音速战斗机 。
波音787的涵道比大于10 。
F-22战斗机的发动机涵道比小于1
3.可变涵道比发动机的研发有哪些进展？
归根结底，发动机的涵道比与内外涵道的流通面积有关 。目前大多数涡扇发动机的涵道比是固定的 。
既然大涵道比发动机有更好的经济性，小涵道比发动机有更好的推力特性，那么一个很自然的想法就是能否研制出一种既适合高速飞行又适合低速飞行的发动机 。这是自适应可变循环发动机的最初想法 。
20世纪70年代，美国率先提出了变循环发动机的概念，并在该领域始终保持领先地位 。
变循环发动机的基本思想是通过改变某些部件的几何形状、尺寸或位置来调整其热力循环参数(如压比、涡轮进口温度、空空气流量和涵道比)，改变发动机循环工作模式(高推力或低油耗)，使发动机在各种飞行状态下都能以最佳状态工作 。相应地，变循环发动机可以在多种模式下工作(包括涡轮模式、涡扇模式和冲压模式)，因此在亚音速、跨音速、超音速和高超音速飞行条件下具有良好的性能 。难点在于aero 空发动机工作在高温高压高速下，涡轮等零件往往接近材料的使用极限和工序的加工极限 。在如此极端恶劣的条件下，稍有差池就会影响发动机的稳定工作甚至安全 。
目前，变循环发动机的研究已经进入第五代 。近日，美国GE公司宣布，计划用于下一代战斗机的XA100-GE-100自适应循环发动机已于2021年5月13日完成高空台架试验，结果符合预期 。
据介绍，XA100发动机采用三涵道设计，通过调节第三涵道来改变涵道比，实现发动机模式切换 。超音速巡航时，降低涵道比，增加推力，进入“涡喷”(高推力)模式 。亚音速巡航时，增加涵道比，降低油耗和噪音，进入“涡扇”(高效率)模式 。此外，当工作环境发生变化时，还可以自适应调整涵道比 。
美国GE公司的XA100自适应变循环发动机
4.可变涵道比发动机的理想状态是怎样的？
目前，通过改变旁通比来实现变循环是比较现实的方法 。
涵道比的概念是在涡扇发动机问世后确立的 。回想起来，涡扇发动机具有普遍意义，涡喷发动机和涡桨发动机可视为涡扇发动机的特例 。
涡轮喷气发动机示意图
涡喷发动机可视为涵道比等于零的涡扇发动机的特例 。涵道比等于零，即外涵道空空气流量为零，进入发动机的空空气全部进入内涵道 。这时，涡扇发动机在工作原理上就变成了涡喷发动机 。
涡轮螺旋桨发动机示意图
当涡扇发动机的涵道比趋于无穷大时，涡扇发动机可以看作一个特例 。当涵道比趋于无穷大时，表示保留风扇，去掉外涵道机匣(外涵道机匣趋于无穷大) 。此时涡扇发动机原则上改造成涡桨发动机 。
三者相比，涡桨发动机经济性最好，涡喷发动机推力特性最好，涡扇发动机居中 。如果涡扇发动机的涵道比可以从零调节到无穷大，那么涡扇发动机可以比目前的自适应变循环发动机具有更好的综合性能 。当然，这只是理论上的趋势分析，实现起来比现在的自适应变循环发动机要困难得多 。
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