2.4.2 涡扇发动机的结构特点
涡扇发动机采用双转子或三转子结构，形成高-低压转子或高-中-低压转子。与双转子涡喷发动机相比，涡扇发动机除具有进气道、低-高压压气机、燃烧室、高-低压涡轮、尾喷管外，还具有风扇，以及气流通道（分为内外涵道）。这里主要介绍风扇结构。
从本质上来说，风扇是叶片直径较大的轴流式压气机，因其直径较大，独立于压气机，故称为风扇。风扇叶片与压气机转子叶片功能相同，其作用是对流经的气流做功，减速增压。风扇主要由转子叶片、静子叶片、叶盘、风扇机匣等组成，如图2-31所示。风扇叶片固定在风扇盘上，风扇盘通常与低压转子相连。值得注意的是，风扇的直径通常较大，尤其对于大涵道比涡扇发动机，风扇直径可达3 m以上。由于直径较大，风扇在高速旋转时易发生振动甚至可能断裂失效。风扇在工作过程中需要确保有较高的增压比和效率，且风扇机匣需具有良好的包容性，确保在风扇断裂的情况下不会飞出机匣造成额外损伤，因此，风扇机匣的设计是发动机设计过程中的重要环节。
图2-31 风扇结构
航空涡喷发动机类别
直升机涡轮轴发动机
【项目小结】
本项目主要讲述了航空燃气涡轮发动机的相关知识。
涡喷发动机是一种通过喷出高速燃气获得推力的动力装置，主要由进气道、压缩室、燃烧室、加力燃烧室、涡轮、尾喷管、附件传动系统和附件系统组成。其中，压气机、燃烧室和涡轮所组成的装置又被称为核心机。在涡喷发动机的基础上，衍生出了涡轴发动机、涡桨发动机、涡扇发动机，它们各自具有自己的特点和应用机型。
与涡喷发动机相比，涡桨发动机在进气道前还布置减速齿轮和螺旋桨。其中，螺旋桨由涡轮驱动。由于涡轮转速较高，而螺旋桨直径较大、转速有限，涡桨发动机需配备减速器，以便将涡轮的转速降低到螺旋桨工作所用的转速，同时获得较大的扭矩。
涡轴发动机是在涡喷发动机上加装旋翼发展而来的，广泛应用于垂直起降飞行器。其结构与涡桨发动机相似，区别在于涡轮输出的功率经减速器驱动旋翼，而不是螺旋桨。
涡扇发动机最显著的特征是在压气机前布置了一级或几级直径较大的风扇，风扇实质上是直径较大的压气机。涡扇发动机一般采用双转子或三转子结构，低压涡轮通过低压转子轴驱动风扇。
涡喷发动机耗油率较高，直接向后喷出高速气流产生推力，高空、高速性能好，适用于高空、高速无人机、靶机和导弹发动机；涡桨发动机通过涡轮带动螺旋桨产生推力，经济性好、耗油率低，适合作为长航时、远距离的无人侦察机的动力装置；涡轴发动机通过涡轮带动旋翼直接产生升力，适用于垂直起降的无人机；涡扇发动机的推力大、耗油率低，适用于起飞质量大、长航时、飞行速度较高的无人机。
【巩固提高】
1.涡喷发动机的工作原理是什么？
2.涡喷发动机主要由哪些部件组成？这些部件各自有什么作用？
3.涡喷发动机、涡桨发动机、涡轴发动机、涡扇发动机各有什么结构特点？
相关知识可参考如下视频资料。
涡轮风扇发动机工作原理
涡轮螺旋桨发动机
（冲压发动机）黑鸟SR-71发动机
喷气式动机的工作原理
【实训2】
玄云涡喷发动机的调试
任务描述
涡喷发动机是大型或高级军用无人机上使用较为普遍的动力。本实训通过学习玄云SW6涡喷发动机（图2-32）的使用注意事项与调试，使学生初步了解涡喷发动机的使用与调试。
任务目标
通过实训了解涡喷发动机的结构及组成，了解涡喷发动机的拆装，掌握涡喷发动机的启动流程，具备基本的涡喷发动机测试能力，能够利用测试工具进行常见故障的分析与排除。
任务实施
一、涡喷发动机试车前准备
1.安全注意事项
涡喷发动机在极高的旋转速度下工作，发动机运转时，一定要保持安全距离，涡喷发动机前方保持3 m距离，左右侧保持5 m距离，后方保持10 m距离（图2-33）。
图2-32 玄云SW6涡喷发动机
图2-33 安全距离示意
2.准备灭火器与耳罩
随时准备灭火器，必须使用二氧化碳灭火器，并使用耳罩阻隔巨大的声压，防止听力受损。严禁使用干粉灭火器，干粉若喷入发动机内，会造成轴承严重磨损。
3.使用专用润滑油
使用的燃料煤油或柴油内，必须兑入5%的涡喷专用润滑油。
4.其他注意事项
当涡喷发动机运转时，进气口的吸气犹如真空状态，绝对不能把手靠近发动机的进气道附近，进气道周围保持净空，电线妥善固定，并装上防护网。涡喷发动机吸入异物会造成严重损坏。
涡喷发动机工作时会产生大量高温热气，排气温度可高达650 ℃，注意周围做好隔热与防温措施。绝对禁止在室内启动，因为涡喷发动机会消耗大量氧气，造成人员窒息，排出的热气与强大气流有引燃干燥易燃物、吹散杂物危险。
涡喷飞机飞行速度快，需注意空域与地面安全情况。涡喷飞机的飞行速度与相同推力的涵道飞机相比，飞行速度要快很多，由于涡喷的喷气速度大幅度超过涵道，涡喷飞机能够轻松达到300 km/h的速度，安装的飞机必须注意舵面的可靠性，严禁俯冲加速造成飞机解体，在空域宽广视野良好下才能飞行，飞机应该加装减速刹车设备。美国管理协会将航模的最高速度限制为320 km/h。
二、涡喷发动机的安装与启动
1.启动前检查事项
（1）接收机电池充电；
（2）检查周围环境；
（3）准备灭火设备；
（4）检查油管与油滤，油管内部保持清洁，无折压；
（5）检查油箱；
（6）对油箱加油，煤油与柴油黏度高，应该慢速加油，防止加油过程压力过大挤爆油箱；
（7）妥善固定涡喷油泵，油泵工作时会产生力矩抖动，造成油管折压；
（8）加油时观察涡喷电磁阀是否处于关闭状态，有时会因杂质卡住电磁阀而造成闭锁不紧，使加油时燃料进入发动机内；
（9）打开接收机电源，连接动力电源；
（10）操作涡喷发动机时，进气口对准迎风方向；
（11）检查刹车；
（12）最后启动涡喷发动机。
2.涡喷关车操作
（1）将涡喷发动机进气口对准迎风方向；
（2）涡喷发动机完全冷却后关闭接收机电源；
（3）如果关车熄火后，发动机未进入自动冷却程序，应立即采用手动冷却；
（4）收藏飞机时应该把油箱内的燃料抽干。
3.燃料系统
涡喷发动机的燃料油管分成两部分，油泵之前属于低压区，油泵之后属于高压区。低压区应使用内径大于2.5 mm的软质油管，高压区必须使用外径4 mm、内径2.5 mm的硬质油管。油泵的安装位置应尽量缩短低压区油管长度，所有的油管必须紧密连接，使用环形扣环或细铁丝固定，油管接口必须防止进入气泡或漏油，不建议使用扎线带固定油管接口。油箱内油管应柔软，并使用大型加重重锤，整个油路系统内径不得小于2.5 mm。使用硬管部分连接至快速4 mm接头时，油管表面应抹上润滑油再插上快速接头，防止刮伤快速接头。内部的油封，拆除油管时，应压下快速插头的释放压片才能拔出。发动机与油泵拆卸运输或收藏时，接头外部应保留小段油管，并使用打火机将油管加热软化后夹扁密封，防止灰尘进入。油泵内部为非常精密的齿轮，一个细小的棉絮进入油泵齿轮，都会造成工作不稳定，是造成发动机熄火的最大隐患，必须认真对待防尘问题。应使用金属材料的油堵，不能使用螺栓当油堵，不能使用硅胶材质的油堵、连接器、油管，最好使用抗汽油的透明油管。油泵之前必须有可靠的过滤器，如使用带有过滤效果的防气泡油箱，防止杂质进入油泵卡住齿轮。
必须使用大流量油滤，并经常检查清洗，不建议使用铜烧结滤芯及平面网状滤芯，必须使用立体网状结构的大流量油滤。
确定油管连接可靠性的方法：将涡喷发动机启动之后，以大油门运转，观察油管中是否存在气泡流动，气泡是导致发动机熄火的主因，必须特别注意。对油箱加油时，应使用低电压对加油泵供电，缓慢加油，煤油与柴油的黏度大，过快的加油速度会对油箱施加很大的压力，引起油箱爆开，并且会将压力挤入电磁阀造成发动机内部积油，启动时引起喷大火现象，必须在油泵后与发动机之间加装球阀，防止燃料流进发动机内。加油泵出口应加装油滤，防止杂质进入飞机油箱内，注意保持加油嘴清洁无尘。
4.防气泡油箱（UAT）
使用涡喷发动机时必须搭配防气泡油箱（图2-34），防止气泡进入发动机引起熄火。防气泡油箱置于主油箱与油泵之间。对防气泡油箱进行加油时，应将其内部空气排除。
图2-34 防气泡油箱
5.油泵与系统调试
燃料油管系统连接完毕之后，应进行油泵测试。测试时，应拔下连接至发动机的硬质油管，再通过ECU Info菜单进行油泵测试，油泵不能空油空转，燃料进入油泵之后观察油路的气泡与漏油现象。在涡喷发动机油管未拔除的情况下，严禁对发动机内部注入燃料，由于发动机内部积油，启动时将会造成严重的喷火，非常危险。新装机必须严格清洁油路系统，防止油管或油箱内部的灰尘杂质进入油泵。新机完成后，必须在地面试运转，确认油路系统的可靠性。
6.油箱系统连接图
油箱系统连接图如图2-35所示。
7.安装发动机
发动机由两片不锈钢固定环固定，必须锁紧，依照加热火头与温感器在涡喷发动机内部的相对位置要求，涡喷发动机上油管的接头必须朝上安装，角度偏差在±45°之内，如果经常启动困难，可改变安装角度。部分机种进气道处于飞机底部，如F16、客机等，容易吸入异物，涡喷发动机进气口必须加装防护网。
图2-35 油箱系统连接图
8.安装连接线到ECU
涡喷发动机的本体上有两条接线，绿色插头的粗线为加热火头与带动电机，为避免飞行中脱落，连接后可使用少量热熔胶轻涂插头表面固定。细线为转速、温度、电磁阀控制线。两条线皆连接至ECU本体上（图2-36）。ECU工作的供电来自油门线，电力取于接收机，油门线连接至ECU上Throttleinput位置。涡喷发动机本体使用的电力来自动力电源，ECU无极性保护设计，极性错误会导致ECU烧毁。油泵、电磁阀、加热火头、电机等全部使用动力电源供电。
图2-36 安装连接线到ECU
9.电源
接收机使用6.6 V LiFe锂铁或6 V NiMH镍氢电池动力电8.4 V，ECU的电源（接收机）限制为6.6 V，也就是5节NiMH镍氢或2节Life锂铁。动力电源使用8.4 V，也就是2节Lipo锂聚或7节NiMH镍氢电池。动力电源容量为2 000～5 000 mAh，在每次大约 5 min的飞行中，含启动到熄火散热，大约消耗350 mAh的电量，为了安全起见，飞行时电池应该随时保持70%以上的电力为妥。ECU菜单中有消耗电力的计数器，可查看每次飞行与累计下来的耗电量，按下显示器GSU（+）键清零。
充电时，电池不能与ECU连接，因为充电器的脉冲会损坏ECU电子元件。涡喷发动机启动时会消耗大量电源，用于加热火头及带动电机，总电流会达到10 A，在寒冷地区启动时，必须保证电池容量与放电能力，若电池电压下降严重，ECU将会报警同时停止启动。
三、涡喷的设定与调试
1. ECU的功能
涡喷发动机的工作是在严苛的条件下才能顺利运转，必须依靠ECU的精密计算，从启动到运转到自动散热，每个过程都是程序化运行，ECU会自动依照传感器的回传条件，温度与转速，控制电磁阀、加热火头，调节带动电机与油泵同步工作，涡喷发动机才能够进行启动、运转、熄火冷却，若运转条件不成立，则会关闭程序停止运转，以避免危险。
ECU内部除芯片运算外，还具有多项侦测功能，能够通过显示屏GSU进行参数调整或观测，实用的侦测功能如下：
（1）尾管温度；
（2）动力电电压；
（3）输出电流；
（4）油门行程位置（脉宽）并以百分比显示；
（5）发动机转速；
（6）发动机使用时间；
（7）模拟信号输入（空速管）；
（8）接收信号丢失计数（侦测失控）；
（9）总使用电量；
（10）电磁阀、加热火头、油泵、带动电机测试功能；
（11）运转记录器（黑匣子功能）。
2.显示屏的操作
显示屏上有﹀、︿、-、+四个按键。其中，﹀、︿为翻动菜单；-、+为改变数字及确认。显示屏连接在ECU的DATA T/PC插头上。开机后显示四个基本数据，左上角为目前的工作状态，右上角为尾管温度T，左下角为转速Rpm，右下角为油泵功率Pw（图2-37）。
图2-37 EDU显示屏
按“+”按钮，会进入主菜单，分别有以下四个选项（图2-38）：
Start：设定启动时的各种参数：
Info：功能测试菜单；
Radio：设定油门行程；
Run：设定运转时的参数。
3.校正油门行程
第一次使用时，必须先设定油门行程，过程如下：如果是JR系统的遥控器，油门舵机不需要反向；如果是Futaba系统的遥控器，必须把油门舵机反向。在图2-38所示的画面中，按下对应着Radio字样下方的按键（-），进入设定油门行程的菜单，出现图2-39所示的画面时，按“+”键确认，进入油门行程设定。
图2-38 主菜单
图2-39 油门行程设定
先设定全油门的行程，也就是油门摇杆最大，微调最大（推到最上的位置，过了中立点后往上推到底），按“+”键确认；再设定关车时的行程，也就是油门摇杆最小，微调最小（推到最下的位置，过了中立点后往下推到底），按“+”键确认；最后设定怠速的行程，也就是油门摇杆最小，微调最大（推到最上的位置，过了中立点后往上推到底），按“+”键确认。
油门曲线的设定，可选择Linear（线性）或其他，最后按“︿”键保存并退出，回到开机时的主画面。
更换遥控器或接收机时，都需要对油门行程重新设定，新发动机在前一两个小时的使用时间内，油泵要经过一段的磨合期，若在飞行过程中发现怠速偏高，也可以对油门行程进行重新设定，因为ECU有学习功能，油泵状态的改变会影响ECU的判断，重新设定油门行程，会让ECU重新校正怠速时的工作条件。
在设定油门行程之后的第一次启动，ECU会自我调整与学习，启动之后让发动机维持怠速至少10 s，ECU会找到维持怠速最稳定的遥控器信号，记忆油泵功率等，之后每次启动皆以此参数为怠速标准。第一次启动维持怠速之后，可以缓慢加至最大油门，观察显示屏上的最高转速是否达到预定值，ECU也会依此学习最大油门时的参数，有助于日后的加速性，一次性加速到最高转速。
4.油门曲线
涡喷发动机的推力与转速不成正比，如一半转速的时候，只有最大推力的1/4，推力呈现指数变化。对于一般的飞行而言，油门摇杆低转速的部分与高转速的部分在操作上并不呈线性，ECU提供了三个挡位的油门曲线供用户选择（表2-1）。
表2-1 油门曲线
（1）Full Expo全曲线：适合使用在大推力比的飞机上，使低转速时的推力很好控制，容易控制飞机在地面上的滑行；
（2）Half Expo半曲线：结合全曲线与线性两者的综合体曲线，对于小型涡喷飞机来说，可采取此项曲线；
（3）Linear线性：推力按照摇杆的比例而增加。
5.第一次启动
将发动机安装在稳定的试车台上，进行数次的启动运转测试，检查各项装备、涡喷发动机本体、电路、油路、油滤、防气泡油箱、主油箱等都没有问题之后，再转移安装到无人机上。
首次启动，先通过Info菜单内的测试油泵功能，将燃料抽入硬质油管中，但不能进入发动机内。
把遥控器设定在怠速位置，显示屏会出现Ready字样，表示ECU进入待机状态，随时可以启动。按照步骤进行安全检查之后，将油门推到最大，此时带动电机会转动，再把油门关到最小，此时发动机就自动进入点火启动程序。
如果微调关至最小位置，油门摇杆推至最大时，电机也会转动，但油门关至最小时则不会进入启动程序。
进入自动程序后，每个进行的步骤都会显示在显示屏上：
（1）Burner on：点火头预热。
（2）Ignition：开始点火，此时会听见电磁阀发出“嗒嗒”的声音，同时电机带动主轴，如果燃料进入发动机内部，点火成功时会发出火焰燃烧的声音，随后温度缓慢上升。当温度稳定时，则会进入下一程序。
（3）Pre Heat：燃烧室预热，在此阶段持续加大供油量并增加转速，提供更多的空气进行燃烧，温度逐渐上升至80 ℃后，则表示燃烧室预热完成，此时火焰的颜色是低温的红黄色。
（4）Switch Over：打开主油路的电磁阀，电机开始加速。此时主油路开始供油，初期燃烧室的温度还不够高，燃料无法完全燃烧，所以会喷出少量火焰，几秒后温度会快速上升至200～300 ℃。
（5）Fuel Ramp：在此阶段，油泵由间断性供油改为持续性供油，火焰会出现间断的爆燃声且出现青色的高温火焰，转速超过30 000转/min时，离合器会脱离主轴，使涡喷发动机维持自转并持续加速，一直到怠速为止。
（6）Running：此时已经完成启动并达到了怠速的转速。
如果启动过程遇到“weak gas”，启动失败，有可能是油管内出现气泡、电力不足，或其他因素引起。
启动失败时，将微调关至最小，ECU会进行自动散热，直到温度降至100 ℃以下，若没有自动散热，则利用油门摇杆一推一收改手动散热，避免持续长时间推高油门进行强制散热，电机负荷过大容易引起故障。等本体冷却至50 ℃以下时，重新启动。
6.关车与散热
运转中准备关车熄火时，将油门摇杆与油门微调关至最低，则自动进入关车熄火程序，此时带动电机会间断性地带动主轴散热，持续冷却，直到温度降至100 ℃以下为止。关车之后完成一次启动循环，此时程序会被终止，若要重新启动，则必须重启电源。
7. ECU显示的状态说明
ECU显示的状态说明见表2-2。
表2-2 ECU显示的状态说明
续表
8.黑匣子记录功能
ECU能够记录涡喷发动机最后51 min的使用情形、状态、温度、转速、油泵功率等。当涡喷发动机使用出现异常时，或定期保养时，可以通过显示屏观察最近一次熄火时的原因（表2-3）。
表2-3 黑匣子命令说明
玄云涡喷发动机调试工卡见表2-4。
表2-4 玄云涡喷发动机调试工卡
续表
