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2024年2月25日发(作者：语言编程器)
苏联的三转子涡扇发动机
开题先从发动机喘振谈起。
发动机的喘振，实际上是发动机的压气机的喘振。
看一下轴流压气机的速度三角形
气流的绝对速度C是牵连速度U与相对速度W的矢量和。牵连速度U就是叶片在压气机上转动的切线速度。相对速度W是气流相对叶片的流动速度。当流量降低，速度C减小，而转速U不变时，气流进入叶栅速度W的方向变化，从上图的红色方向变成黑色方向。可以看到叶片相对气流的攻角增大，叶背出现气流分离，发生喘振。气流沿着压气机轴向前后振荡运动，发动机熄火停车，甚至发生损坏，引起严重事故。
下面看几张讲述喘振的幻灯片或截图。
至此，应该进入三转子发动机的正题了。采用三转子结构，可以防喘振。除去这个因素以外，吸引人们采用三转子结构还有第二个重要原因。大家知道，从工程热力学可以得知，热力循环的压缩比越高，发动机的热效率也越高。因而涡扇发动机压气机的压缩比不断提高，从早期的小于10，发展提高到现代的30—40，罗罗公司的遄达XWB整体压缩比达到52。压缩比大幅度提高，三转子结构容易达到数倍增加的压气机高压缩比，还具有优良的防喘振能力。三转子结构的采用，还有第三个原因，高亚音速大型客机和货机，喜欢配备高旁通比的涡扇发动机。高旁通比，意味着发动机排出气体的流量显著增大，而喷气射流的速度相对降低。对于讲究效益的大型运输飞机，低旁通比、高喷流速度的一般涡扇发动机的推进效率
低，当然消耗燃料更多。关于推进效率，人们推导出来的公式是：
推进效率 = 传给飞行器的推进功率 / 进排气的机械能之差
根据计算可知，发动机的推进效率仅与进气速度（等于飞机飞行速度）和排气速度有关：
2
推进效率 = ———————————
1+排气速度/进气速度
可以看出，当涡扇发动机排气速度等于飞机飞行速度时推进效率等于“1”或百分之百。排气速度高于飞行速度时推进效率降低。飞机刹车停在跑道上，发动机油门再大，排气速度再高，推力再大，推进效率还是等于“0”。飞机没有运动，速度为零，推力再大，推进功率也是零，推进效率当然也是零。原来的涡喷或涡扇发动机，排气速度都相当高。采用高旁通比，利用风扇加大流量，排气速度降低到接近高亚音速客机的飞行速度，能够得到更好的推进效率。这就是采用高旁通比涡扇发动机的现代高亚音速客机相当节省燃油的原
因。当旁通比增大，风扇直径大大增加时，风扇的适合的转速当然要显著降低，这样的转速与压气机适合的转速的差别很大。例如GE90涡轮风扇发动机的风扇叶尖切线速度371m/s。风扇转速为2304r/min。高压压气机叶尖切线速度为455m/s，转速为10396r/min。转速相差四倍。再以以CFM-56涡扇发动机为例，风扇转子最高转速为000 r/min 左右，而高压转子5最高转速达到15000Rr/min相差三倍。这种情况下，再增设一个更低转速的风扇转子，形成三转子发动机当然受到欢迎。
三转子结构，共轴安排三个转子。内轴是低压涡轮带动风扇，转速最低。中轴是中压涡轮带动低压压气机，转速较高。外轴是高压涡轮带动高压压气机，转速最高。与双转子涡扇发动机相比，它的三个转子可分别在最佳转速下工作，使转子级数、叶片数和可调叶片数减少。由于转子级数少，转子可较短，提高转子刚性，减小性能衰退率。
简而言之，防止喘振、高压缩比、高旁通比、适合转速的巨大差别这四个因素支持三转子发动机的发展。
但是，三转子结构，内、中、外三个套轴高速、大功率旋转，在结
构动力学方面，尤其是振动、共振、过临界转速、三个转子的统筹控制等方面，技术难度难以想象。因此直到现在，三转子结构仍然是严重的技术挑战，也是技术水平的非凡标志之一。
英国罗罗公司研制生产出世界第一种三转子结构的RB—211涡扇发动机。后来又发展出RB—199以及现在的遄达涡扇发动机。遄达—875风扇直径为2794mm。若叶尖速度为400 m / s (CFM-56风扇5000
rpm 最高转速时的轮缘速度)，则相应的转速为2700 rpm。
RB-211三转子涡扇发动机结构示意图，摘自北航课件并标注
Trent 900 三转子涡扇发动机结构图
遄达—700发动机高压压气机转速为10000 rpm，中压压气机转速为7000 rpm。有报导遄达—1000的风扇转速为2700rpm. （ “ #3
The 112″ fan spins at over 2700 RPM with tip speeds over 900
mph, but the blades inside the engine spin at 13,500 RPM with tip
speeds topping 1200 mph. ”摘自《 Ten Interesting Facts about the
Rolls-Royce Trent 1000 Engines Used on the Boeing 787 Dreamliner 》 ）。实际上，中压与高压转子主要用来维持发动机的压
气机的正常运转。涡扇发动机产生的推力，当旁通比大于4时，八成以上由风扇贡献。
由于科学技术发达的美国至今也没有三转子涡扇发动机出现，所以很多人以为三转子涡扇发动机只有英国一个国家独揽。实际上世界上还有另外一个国家也掌握了三转子涡扇发动机这项顶尖技术，而且研制成功并投入生产了诸多型号的三转子涡扇发动机，这个国家就是原来的苏联。苏联解体以后，这项技术分别落到俄罗斯和乌克兰两国。
下面介绍原苏联，现在俄罗斯与乌克兰的几种三转子涡扇发动机。
原苏联有多个航空发动机设计局，但是研制成功三转子涡扇发动机的的是其中的两个。一个是库兹涅佐夫设计局，另外一个是伊夫琴科设计局。前者的产品编号往往是俄文字母的НК－（英文文献写成NK—）,Н是库兹涅佐夫的名字“尼古拉”的俄文字头，К是库兹涅佐夫的姓的俄文字头。后者产品编号早期多使用俄文字母ΑИ—（英文文献写成AI—），A是航空发动机的俄文字头，И是俄文伊夫琴科的字头。伊夫琴科设计局的产品，后来就不一定使用伊夫琴科的字头了，他们的产品许多使用俄文字母Д—打头编号（英文文献写成D—）。俄语“发动机”的字头也是Д。现在，库兹涅佐夫设计局在俄罗斯。伊夫琴科设计局在乌克兰。
库兹涅佐夫设计局的三转子发动机产品，著名的有HK-321、HK-93等。伊夫琴科设计局的三转子发动机产品有Д-18T、Д-36等。
库兹涅佐夫设计局的三转子发动机HK-321，HK-93。
1，HK-321三转子涡扇发动机
HK-321三转子涡扇发动机
HK-321 (NK-321) 三转子涡扇发动机
HK-321是前苏联库兹涅佐夫设计局(现为萨马拉“劳动”科研生产联合体)研制的三转子加力式涡轮风扇发动机，用于图—160远程超音速轰炸机。图-160是前苏联图波列夫设计局设计的四发变后掠翼战略轰炸机，用于替换米亚-4和图-95执行战略突防轰炸任务。“海盗旗”(Blackjack)是西方给予该机的绰号。动力装置四台HK-321涡扇发动机，单台加力推力245千牛(25000公斤)。四台发动机分成两对分别安装在机翼固定段下，每对发动机有水平楔形进气道，尾喷管伸在机翼后缘之外。有空中加油能力。HK-321还曾经准备用于图－144LL超音速客机。
图-160 海盗旗超音速变后掠翼战略轰炸机
图-160飞机和HK-321三转子涡扇发动机
HK-321的设计工作于1977年前后开始，在HK-32燃气发生器的基础上发展而来。1980年第一台HK-321原型机试验，1986年投入生产。
HK-321的结构和系统
风 扇 3级轴流式。第1级设计时考虑使雷达反射信号最小。
中 压
压 气 机 5级轴流式。
高 压
压 气 机 7级轴流式。压缩系统材料为钛、钢和镍基合金(后面级)。
燃 烧 室 环形。蒸发式喷嘴，无可见冒烟。出口温度场非常均匀。
高压涡轮 单级轴流式。直径1000mm。转子叶片为气冷，用单晶材料制造。
中压涡轮 单级轴流式。定向凝固材料叶片。
低压涡轮 2级轴流式。定向凝固材料叶片。
加 力
燃 烧 室 按在最小红外信号特征条件下达到最高效率和推力设计。
尾 喷 管 多瓣混合器，收敛－扩张喷管。
控制系统 电气式，带机械液压备份，正在研究改为全权数字式电
子控制系统。
HK-321的技术数据
最大起飞推力(daN) 24500
中间推力(daN) 13720
推重比 约7.35
空气流量(kg/s) 365
涵道比 1.4
总增压比 28.4
涡轮进口温度(℃) 1357
长度(mm) 约6000
直径(mm) 1460 (进口)
质量(kg) 约3400
2，HK-93函道桨扇发动机
HK-93是一种新型、独特的函道桨扇发动机，桨扇发动机也可以称为无限涵道比的涡扇发动机。桨扇发动机的风扇外面没有函道包围。HK-93具有桨扇发动机那样巨大直径的桨，其尺寸远远超过一般的涡扇发动机的风扇，而且就是双重对转的前后两桨。前桨8叶，后桨10叶。某种程度上有些类似早年HK-12大功率涡轮螺桨发动机的双重对转四叶螺旋桨。HK-93的低压压气机经过传递功率22370KW的
减速器驱动桨扇，这也与HK-12经过减速器传动相似。但是在这个大直径的桨的外面又罩上了外函。结果其函道比达到16.6这一巨大数值。对于这种结构特殊的发动机，称之为“函道桨扇发动机”，但是也有人还是将它称为涡扇发动机。
HK-93桨扇发动机结构
HK-93桨扇发动机结构示意图
HK-93是俄罗斯萨马拉“劳动”科研生产联合体(前苏联库兹涅佐夫设计局)研制的一种当今世界上最大的桨扇发动机。其三转子齿轮传动对转涵道桨扇方案是在中央航空流体力学研究院、中央航空发动机研究院和一些飞机设计局的参与下，对燃油效率、起飞推力
级和发动机在飞机上的布局等进行了大量的研究的基础上提出来的。
发动机参数研究开始于1985年，研究结果表明，两级对转涵道桨扇的推进效率比开式桨扇和单级高涵道比涡扇发动机高出7%。1988年开始初步设计，1989年12月，第一台发动机(包括燃气发生器和桨扇)投入试验。此时已积累近600h的高压转子和燃气发生器运转试验。至1991年8月1日共积累1300h部件和整机试验，1993年又达到2500h。飞行试验计划于1994年在伊尔-76飞机上装一台HK-93发动机开始进行。发动机的定型后批生产计划于1997年开始。
HK-93发动机的研制吸取了该设计局以前的许多发动机的技术和经验，如HK-12涡桨发动机的大功率减速器。NK-321加力涡扇发动机的风扇传动方案、HK-62开式桨扇、HK-63涵道桨扇和HK-110开式桨扇验证机及其AB-90型桨叶的经验。
为了达到排气污染和噪声标准，在研制中进行了大量试验。该联合体在1987～1992年对燃烧室进行了920次试验，采用双区多喷嘴燃烧室方案，1994年HK-93的氧化氮排放量低压国际民族民航组织的标准25%。在消声方面，采用适度的叶片切线速度和级压比、宽弦长马刀形叶片、大的叶片排间轴向距离和消声内衬等措施。试验结果表明这些措施是有效的。
HK-93 (NK-93) 函道桨扇发动机
HK-93
(NK-93) 函道桨扇发动机装安在伊尔－76
飞机上进行飞行试验
技术数据
起飞推力(daN) 17650
起飞耗油率[kg/(daN·h)] 0.239
巡航耗油率[H=11000m, M=0.75, kg/(daN·h)] 0.50
推重比 4.94
空气流量(kg/s) 976
涵道比 16.6
总增压比 37
长度(mm) 5972
桨扇直径(mm) 2900
外壳直径(mm) 3150
质量(kg) 3650
伊夫琴科设计局的三转子涡扇发动机
三代已故著名设计师领导了这个设计局的成长与发展。他们是：
· 1945–1968: 阿列克萨恩德尔 格奥尔基耶维奇 伊夫琴科 (Александр Георгиевич Ивченко)；
· 1968–1989: 弗拉基米尔 阿列克赛耶维奇 洛塔列夫 (Владимир Алексеевич Лотарев) ；
· 1989-2010: 菲德尔 米哈伊洛维奇 穆拉夫琴科 (Федoр
Михайлович Муравченко) ；
· 2010-:设计局现任领导是：伊格尔 费道洛维奇 克拉夫琴科 (Игорь Федорович Кравченко) 。
1，D-18T（Д-18T）（1982年12月AH—124首飞，装备D—18）
原苏联（现属乌克兰伊夫琴科-进步设计局）研制的三转子大涵道比、大推力涡扇——Д-18Т（АН-124/225的心脏），采用了类似RR拿手绝艺的三轴结构（1级风扇+7级中压+7级高压+环形燃烧室+1级高压涡轮+1级中压+4级低压）。
性能参数
Д-18T
(D-18T)
技术数据
起飞推力(daN)
最大巡航推力(H=11000m, M=0.75, daN)起飞耗油率[kg/(daN·h)]
巡航耗油率[kg/(daN·h)]
推重比
空气流量(kg/s)
涵道比
总增压比
长度(mm)
风扇直径(mm)
质量(kg)
22980(保持至ISA+13°)
4767
0.367
0.581
5.72
765
5.6
25(起飞)
27.5(巡航)
5400
2330
4100
D—18T三转子涡扇发动机
飞机发动机短舱内的D—18T三转子涡扇发动机
AH -124商载150吨，重405吨，
装备四台D—18T发动机
AH-225商载250吨总重600吨，目前世界最大，
装备六台D—18T发动机
2，D-36三转子涡扇发动机
D-36三转子涡扇发动机照片
Д-36发动机是苏联航空发动机制造史上第一台高涵道比发动机，它首次采用高温燃气进入涡轮喷管装置和高增压比。发动机采用广泛使用钛金属的三轴布局和模块结构。在研制Д-36发动机的过程中，整个设计集体夜以继日地工作，无论是生产车间还是各设计小组都是三班倒。Д-36发动机的研制是对以洛塔列夫为首的设计集体的成熟性的一次重大检验。因为在这一过程中要解决一系列科学、技术和生产上的新问题。
Д-36发动机最初打算用于安-60飞机，但该机设计方案后来未获通过。当时洛塔列夫胸有成竹地说：“飞机设计师还会采用这种发动机的。”果不其然，不久，总设计师А．С．雅克夫列夫第一个拜访了“进步”设计局，表达了对Д—36发动机由衷的喜爱，并将Д-36发动机的模型带到了莫斯科。但关于研制采用这种很有前景的发动机的飞机的决议姗姗来迟。直到1973年，才开始着手生产采用6500公斤推力的Д-36发动机雅克-42飞机的试验批。发动机催生飞机，这在苏联飞机制造史上是罕见的。雅克－42飞机于1975年3月7日首飞成功。1978年1月第一架产品飞机出厂。
为了突破并掌握三转子涡扇发动机技术，设计局在洛塔列夫（Лотар?в）首先开发比较小的Д-36发动机。取得巨大成功、掌握了有关技术以后后，才发展更大推力的Д—18。1982年12月AH—
124首飞，装备D—18发动机。目前世界上最大的AH—225运输飞机装备了六台D—18T涡扇发动机。
总而言之，苏联在研制发展三转子涡扇发动机方面也做出了显著的成绩。与英国比较，苏联的三转子涡扇发动机有自己的特色，所研制的三转子涡扇发动机，某些型号仍然在生产和使用。这项传统，目前继续被俄罗斯和乌克兰继承和发展。看来，俄罗斯和乌克兰还有不少技术值得我们学习与借鉴。
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