2.1.2 涡喷发动机的结构特点
涡喷发动机借助进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件相互配合，连续不断地输出功率和推力。下面首先根据涡喷发动机转子数目，从总体结构角度介绍单转子、双转子发动机的结构特点；其次，按照进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、加力燃烧室的顺序，依次介绍各部件的功能、工作原理、分类和结构特点等。
1.总体结构特点
在涡喷发动机中，压气机和涡轮的转子叶片、叶盘，通过一根转轴和连接件等连接在一起，形成一个转子。根据转子数目的多少，涡喷发动机可分为单转子涡喷发动机和双转子涡喷发动机。
（1）单转子涡喷发动机仅有一组压气机和一组涡轮，如图2-4所示，这一组压气机和涡轮通过一根轴连接在一起，以相同转速转动。单转子涡喷发动机结构较为简单，早期的涡喷发动机均为单转子结构。
（2）双转子涡喷发动机的压气机可分为低压压气机和高压压气机。涡轮可分为高压涡轮和低压涡轮。如图2-5所示，高压压气机和高压涡轮通过一根较粗的空心轴连接；低压压气机和低压涡轮通过一根较细的低压转子轴连接，低压转子轴穿插在高压转子轴中间，低压转子和高压转子以不同的转速旋转。双转子涡喷发动机能够显著提高压气机和涡轮的气动效率，增大发动机的推力，降低发动机的耗油率。
图2-4 单转子涡喷发动机结构示意
图2-5 双转子涡喷发动机结构示意
2.部件结构特点
（1）进气道。进气道的功能是通过对空气减速、增压，为压气机提供均匀的气流。空气作为一种流体，具有一定的黏性，流动时会有内摩擦力产生，空气与进气道的边界也会产生摩擦阻力；另外，进气道的形状、空气流动方向的变化等也会产生一定阻碍作用，空气流经进气道时，为了克服上述摩擦阻力，需要耗散一定的能量。为了尽可能地降低流动损失，进气道结构引起的飞行阻力必须尽可能小。
按照进入进气道的气流速度的大小，进气道可分为亚声速进气道（来流Ma＜1）和超声速进气道（来流Ma＞1），如图2-6所示。亚声速进气道的前缘多为圆钝形，超声速进气道的前缘多为尖角形并带有进气锥体；超声速气流进入超声速进气道时，会产生若干道斜激波和一道正激波，使超声速气流减速为亚声速，并且压力升高。气流进入进气道后，会在进气道内部的特定形状流道内减速、增压，形成适合进入压气机的气流。
图2-6 进气道分类
（a）亚声速进气道；（b）超声速进气道
无论对于亚声速进气道还是超声速进气道，为保证在整个飞行范围内发动机均能可靠地工作，要求进气道在各种状态下均具有小的流动损失和进气畸变，气流与进气道流道不能发生较大的分离，尤其是当飞机处于阵风、强侧风、盘旋、大攻角（指进气道轴线与来流的夹角）、发射武器等条件时，要求进入发动机的流场稳定，进口处不能产生严重的流场变化。
（2）压气机。压气机是对空气做功、向空气传输机械能的主要部件，为发动机提供工作需要的压缩空气。空气经过压气机之后，总压增高、轴向流速下降、温度升高。空气总压增高，有利于提高发动机的整体效率，而轴向流速下降使其易于在燃烧室内组织燃烧。
根据空气的流动方向，压气机可分为轴流式压气机和离心式压气机，如图2-7所示，空气轴向流入、轴向流出的压气机称为轴流式压气机，空气轴向流入、径向流出的压气机称为离心式压气机。两者相比，轴流式压气机的总增压比（增压比为出口气流总压与入口气流总压的比值）大，效率高，单位面积空气流大；离心式压气机的单级增压比大，结构简单可靠，稳定工作范围较宽。另外，轴流式压气机和离心式压气机有时会组合起来使用，称为组合式压气机。
总压：假想流体等熵地和绝热地滞止时所能达到的压力总值，表征流体具有的机械能总值。定义如下：
Pt=P+Pb
式中，Pt为总压；P为静压，是流体静止不动时具有的压强；Pb为动压，是流体因为流动而具有的压强。
压气机主要由压气机转子和压气机静子组成。对于轴流式压气机［图2-8（a）］，压气机转子包括转子叶片（也称为工作叶片）、压气机盘和压气机轴等，转子在发动机工作时高速旋转；压气机静子包括静子叶片、压气机机匣等，静子不旋转。对于轴流式压气机，任一压气机盘与安装在该盘上的所有转子叶片称为一级转子，而与一级转子配合工作的所有静子叶片称为一级静子，压气机转子在前，静子在后，一级转子和一级静子合起来统称为一级。为实现较高的增压比，轴流式压气机通常由若干级串联而成。对于离心式压气机［图2-8（b）］，转子叶片与压气机盘通常加工为一体使用，静子叶片通常被气流导流装置替代。
图2-7 轴流式压气机与离心式压气机对比示意
（a）轴流式压气机；（b）离心式压气机
图2-8 轴流式压气机与离心式压气机结构对比
（a）轴流式压气机；（b）离心式压气机
（3）燃烧室。燃烧室是供高压空气与燃料混合并燃烧的部件。在燃烧室中，燃料中的化学能经燃烧转换为热能，空气的温度显著提高，流入燃烧室的空气变成高温、高压燃气流出，高温燃气进入涡轮内做功。从整体结构上看，燃烧室有单管燃烧室、环管燃烧室和环形燃烧室3种类型。
1）单管燃烧室：每个管式火焰筒外侧都包裹单独的外壳，构成一个单管，各单管之间通过联焰管相连，传播火焰和均衡压力（图2-9）。
图2-9 单管燃烧室截面示意与实物图
（a）截面示意；（b）实物图
单管主要由喷嘴、涡流器、火焰筒、联焰管、燃烧室外套等部件组成，如图2-10（a）所示。燃烧原理如图2-10（b）所示。来自压气机的空气分为两股，一股空气经过涡流器后形成低速回流区，喷嘴将燃油雾化为微小颗粒，与该股空气掺混形成混合均匀的油气混合物，被点燃后产生稳定的燃烧；另一股空气对火焰筒冷却后经火焰筒上的孔进入火焰筒内形成掺混区，形成高温燃气进入涡轮内做功。
图2-10 单管结构与燃烧原理示意
（a）单管结构图
图2-10 单管结构与燃烧原理示意（续）
（b）燃烧原理示意
2）环管燃烧室：若干火焰筒沿周向均匀分布，安装在同一个内外壳体间的环腔内，相邻火焰筒之间通过联焰管连接，如图2-11所示。当环管燃烧室的某一个火焰筒被点燃时，火焰会通过联焰管传至其他火焰筒导致燃烧。
图2-11 环管燃烧室截面示意与实物
（a）截面示意；（b）实物图
3）环形燃烧室：只有一个环形的火焰筒，安装在内外壳体间的环腔内，如图2-12所示。与单管燃烧室、环管燃烧室相比，环形燃烧室的出口流场和温度场分布更加均匀，燃烧效率更高，且结构简单、质量小，同时轴向尺寸短，有利于减小发动机的跨度和质量。目前的涡喷发动机主要采用环形燃烧室。
图2-12 环形燃烧室截面示意与结构模拟
（a）截面示意；（b）结构模拟图
（4）涡轮。涡轮的作用是将高温、高压燃气中的部分内能和势能转换成机械能，用于驱动压气机和其他附件。从燃烧室流出的燃气进入涡轮后膨胀做功，驱动涡轮高速旋转，并通过轴驱动前方的压气机，从而实现发动机的连续工作。
涡轮由涡轮转子和涡轮静子组成，一般为一级或多级串联而成。涡轮转子由转子叶片、涡轮盘和涡轮轴组成，涡轮静子由静子叶片和涡轮机匣组成，如图2-13所示。涡轮与压气机有一定的区别，首先，压气机中转子叶片在前、静子叶片在后，而涡轮中静子叶片在前、转子叶片在后；其次，一般情况下，压气机级数较多，涡轮级数较少。
图2-13 涡轮部件结构
对于涡轮而言，燃烧室流出的燃气温度极高，甚至可能超过转子叶片材料的熔点，为了保证转子叶片的安全工作，通常采取多种措施提高转子叶片的耐高温性能：一方面是在转子叶片中设计冷却通道和冷却气孔，通过从压气机出口引入冷却气流，对转子叶片进行强制冷却，如图2-14所示；另一方面是在转子叶片表面制备隔热涂层。一般条件下，会同时采用多种措施，以尽可能地延长转子叶片的工作寿命。
图2-14 转子叶片的冷却结构
（5）尾喷管。尾喷管又叫作排气喷管，简称喷管，其作用是将涡轮或加力燃烧室排出的空气继续加速膨胀并高速喷出，经过尾喷管排出的空气能达到声速或超过声速，这使发动机能够获得更大的推力。
尾喷管根据燃气排出的方向可分为直流式尾喷管［图2-15（a）］和推力矢量尾喷管［图2-15（b）］。直流式尾喷管只能向发动机正后方排出燃气，产生平行于发动机轴线的推力；推力矢量尾喷管可以向不同方向喷出燃气，从而改变发动机推力的方向，使飞行器的机动性增强。
图2-15 直流式尾喷管与推力矢量尾喷管
（a）直流式尾喷管；（b）推力矢量尾喷管
直流式尾喷管按流道形式可分为收敛形喷管和收敛扩散形喷管。其中后者又称为拉瓦尔喷管。收敛形喷管是流道面积逐渐减小的尾喷管，如图2-16（a）所示。燃气在收敛形喷管中膨胀加速，出口空气的最大速度能够达到当地声速（Ma=1）；但燃气在这种喷管中不能得到完全膨胀，出口处的气流速度最大仅能达到当地声速，不能实现超声速。收敛扩散形喷管的流道面积先减小再扩大，如图2-16（b）所示。在收敛扩散形喷管中，收敛形转为扩散形位置的截面面积最小，称为喉道，此处气流速度可达到当地声速（Ma=1），在后续扩张管道超过声速，继续加速。收敛扩散形喷管能够使燃气得到完全膨胀，出口处的气流能够实现超声速，因此可以使发动机产生更大的推力。
图2-16 发动机直流式尾喷管结构示意
（a）收敛形喷管；（b）收敛扩散形喷管
（6）加力燃烧室。除上述进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管外，涡喷发动机为了增加推力，还可以在涡轮和尾喷管之间布置加力燃烧室。由于从涡轮中流出的高温燃气中仍含有大量氧气，在涡轮后的气流中再次喷油燃烧，使排出的空气温度大幅度升高，可以获得额外推力。
加力燃烧室主要包括喷嘴、火焰稳定器、点火器、防振隔热屏和筒体等，如图2-17所示。其中，喷嘴用于喷入燃料。火焰稳定器用于在高速气流中产生稳定回流区，决定了能否成功点火，以及火焰能否稳定燃烧而不被吹熄。图2-18所示为沙丘驻涡火焰稳定器，其具有阻力小、稳定性好等优点，应用于多种型号涡喷发动机中。防振隔热屏用于防止点火燃烧时产生振荡燃烧，同时起到隔热作用。
图2-17 加力燃烧室结构
图2-18 沙丘驻涡火焰稳定器
带有加力燃烧室的发动机在开加力时，可短时间内获得大推力，开加力时的推力可以达到原推力的1.4～1.7倍。但是，因为从涡轮排出的高温燃气压力已经大幅下降，所以加力燃烧室的燃烧环境为低压燃烧环境，燃烧效率低，会造成发动机耗油率大幅度增加，经济性急剧下降。
涡喷发动机工作原理及构成