航小北的日常科普/文

有一些熟悉军事装备的朋友一定知道,在航空发动机中有一种被称为“转子对转”的现象,表示在设计中,航空发动机会让高压转子和低压转子旋转方向相反。在2月7日的首条推送中,我们还专门讨论过,有兴趣的朋友们可以翻翻看。在文中小编指出了:转子对转并不是为了取消涡轮前进口导向器。但是限于篇幅,小编却没有解释两个问题:

高低压转子对转除了减重之外,到底有什么好处?

既然高低压转子对转使得取消涡轮前进口导向器成为可能,但是为什么很少有人这么做呢?

今天,我们一个一个来说。


高低压转子对转的好处

除了可以取消低压涡轮前导向器来减轻重量外,高低压转子对转总的来说有两个显著的好处。


好处1:控制转子的陀螺力矩效应

所谓的陀螺力矩效应就是当物体在高速旋转的时候,它会在指向方向上有一种惯性,而你想要改变物体的空间方向,就一定会受到来自旋转物体的反作用力。

↑高速运动的物体在空间中的方向会保持不变↑

这就是说,当飞机做机动飞行的时候,会强迫发动机中的那些飞速转动的转子改变空间中的方向,从而使飞机受到一定的反作用力矩。这个力矩一方面会影响飞机的机动性,但是更重要的是,这些额外的力矩对于诸如发动机-飞机连接部位的强度是很不利的。所以当看到飞机在做机动飞行的时候,你可以想象发动机在倔强地抗拒着飞机的转弯,并带来不利影响。

↑飞机在做机动飞行↑

而通过两个转子的对转,可以让转子产生的陀螺力矩互相抵消,从而一定程度上降低陀螺力矩效应对发动机和飞机产生的不利影响,这就是转子对转的第一个好处。


好处2:优化转子的振动

而真正让航空发动机越来越倾向于使用转子对转设计的,其实是这第二个好处:那就是从动力学的角度尽可能地缓解了转子的振动问题。

所谓的转子振动,就是当转子转速接近某些特定转速的时候,会产生一种名为“共振”的现象,从而使得发动机必须要停止工作,否则就会造成发动机不可逆的损伤和破坏。

↑发动机转子的共振↑

如果只有一根转子,那么转子的振动问题相对来说就比较好解决,但是当高低压转子在发动机那么小的空间内共同工作的时候,他们之间是互相影响的,这就意味着两根转子的振动绝对不是1+1=2那么简单,而是要远比一根转子的振动复杂得多。

而相比较于同向转动,当两根转子反向转动的时候,可以让转子的工作点更加远离共振点。其中的影响原理非常复杂,但是可以给大家看一个直观的结果。

下面这张图里,横坐标是低压转子转速,纵坐标是高压转子转速,所以左半边就是高低压转子转速相反的情况(相对转动),而右半边就是高低压转子转速相同的情况(同向转动)。而转子在正常工作状态下,对应的高低压转速点就在灰色区域内,而那些彩色的线是绝对不能碰到的线。显然,当高低压转子对转的时候,安全区域更大,也代表发动机也就更加稳定。

↑转子对转对共振转速分布的影响↑

所以,上面两个原因,才是高低压转子相对转动的好处,远远不是“可以取消低压涡轮进口导向器”这一个好处。


取消低压涡轮进口导向器有什么代价?

虽然说取消低压涡轮进口导向器不是高低压转子对转的唯一好处,但毕竟也是一个好处呀,为什么不取消呢?其实这其中的原因也很简单:因为想要取消低压涡轮进口导向器太难了!


高压涡轮叶片做不长

我们知道,在压气机中,气流是被压缩得体积越来越少,而在涡轮中,气流则是越膨胀体积越大,这就是为什么我们一般看到的航空发动机都是“小蛮腰”,因为燃烧室前气流体积是越来越小,而燃烧室后,气流体积则是越来越大。而这个趋势反映到叶片的长度上,就是涡轮中越靠后的叶片长度就越大。

↑涡轮部分叶片会越来越长↑

原先有进口导向器叶片的时候,还可以有一级静子叶片过渡一下,所以高压涡轮叶片长度可以设计的短一些,但是如果要取消进口导向器叶片,第一个大问题就是高压涡轮叶片不得不做得很长。

我们拿F136发动机和F110发动机为例,其中F136发动机没有低压涡轮进口导向器叶片,而F110却依然保留了这一结构,F136发动机低压涡轮叶片长度和高压涡轮叶片长度的比值是2.1,F110则是1.25。

要知道,高压涡轮转速极高、温度极高,可以说是整个发动机载荷最恶劣的位置,如果让高压涡轮叶片变长,无疑非常不利于叶片的强度寿命,需要更先进的材料和设计技术才能够hold住这个设计。所以,即便强大如美国,到现在还没有完全解决这个问题。


涡轮级间冷却和封严怎么办?

而除此之外,低压涡轮进口导向器叶片的功能也不仅仅是调整气流方向。事实上,这个部件的下方还有一大坨结构,这些结构主要是用来冷却和封严,一方面保证涡轮盘的温度不会太高,另一方面则是防止高低压涡轮之间高压气体乱跑。

↑F119发动机低压涡轮进口导向器下方的冷却和封严结构↑

如果取消了进口导向器,那么这些冷却和封严结构要放到哪儿?难道让这些重量随着转子一起高速转动吗?所以如果不解决这个问题,只是不管三七二十一,不要低压涡轮进口导向器了,根本无法实现发动机的功能,这也是为什么不取消涡轮前进口导向器的原因之一。


总结一下

高低压转子对转主要的好处是显著改善转子陀螺力矩效应和转子振动特性,而且在不取消低压涡轮进口导向器的前提下,让原本同向转动的高低压转子改成相对转动,其实难度不大。

而想要取消高低压转子之间的导向器,会面对高压涡轮叶片过长和涡轮级间冷却/封严无处安放两个很严重的问题,没有足够的材料、设计技术,很难解决,即便是美国到今天也不能做到去除这些不利影响。

这就是为什么现在转子对转的航空发动机很多,但是取消涡轮前进口导向器叶片的航空发动机数量几乎为0的原因了。