问题

涡扇发动机有没有反扭力?

回答
要说涡扇发动机有没有“反扭力”这个说法,其实有点像是在问,它会不会“往反方向拧”一样,这并不是一个发动机技术里常用的、或者说准确的术语。不过,如果你想表达的是涡扇发动机在工作时,输出的力与它本身旋转方向相反,或者说它对周围环境施加了一个导致旋转的力,那答案是肯定的,而且这是其工作原理的核心。

咱们不妨从涡扇发动机是怎么工作的说起,把这个问题掰开了揉碎了聊。

涡扇发动机,说白了,就是一个特别厉害的空气泵,只不过它泵的是空气,而且这个空气在泵的过程中会变得非常有能量,然后这些能量又会推动飞机前进。它里面有好几个关键部件,我们可以挨个看看:

1. 风扇(Fan): 这是发动机最前面那个大叶片,转起来呼呼带风。它的主要作用是吸入大量的空气,然后将其中一大部分空气绕过核心机,直接向后推。这部分被绕过的空气量很大,虽然加速不多,但总量大,能产生相当可观的推力,这是涡扇发动机效率高的重要原因,尤其是在亚音速飞行时。

2. 压气机(Compressor): 核心机里面,在风扇后面就是压气机。它就像一系列越来越小的风扇叶片组合,把空气一层层地压缩,体积变小,压力和温度都升高。这一步非常关键,因为空气越压实,后面燃烧时释放的能量就越集中。

3. 燃烧室(Combustor): 压气机出来的“又热又压”的空气,进入燃烧室和燃油混合后,就会被点燃。这里就是一团持续的高温高压火焰在燃烧。想想看,这么剧烈的燃烧,在燃烧室里会产生巨大的能量和高温高压的气体。

4. 涡轮(Turbine): 燃烧室出来的“火热气体”,带着巨大的能量和压力,会冲向后面的涡轮。涡轮的叶片设计得跟风扇叶片有点像,但它不是被外部动力驱动,而是被这股热气流冲击,然后高速旋转起来。这里有个关键点:涡轮被热气流冲击,是热气流带着动量,让涡轮旋转起来的。

5. 连接轴(Shaft): 涡轮和前面的风扇(以及压气机)是通过一根主轴连接在一起的。也就是说,涡轮转了,前面连接着的风扇和压气机也跟着一起转。

好了,现在重点来了:

当高温高压燃气冲过涡轮,推动涡轮高速旋转时,涡轮实际上是在消耗燃气流的动能和内能。根据牛顿第三定律(作用力与反作用力定律),燃气流对涡轮施加了一个驱动力,让涡轮旋转,而同时,涡轮也对燃气流施加了一个反作用力。 这个反作用力就是让燃气流改变方向、减速的力。

那么,这个“反作用力”跟我们说的“反扭力”有什么关系呢?

涡扇发动机产生的推力,主要来自于两部分:一部分是风扇直接向后加速空气产生的推力,另一部分是核心机(压气机、燃烧室、涡轮)排出的高温燃气流向后喷射产生的推力。

而涡轮旋转起来,是被向后喷射的燃气流驱动的。燃气流向后喷射的时候,它本身会获得一个向前的动量,对发动机(和飞机)产生一个向前的推力。但同时,为了驱动涡轮转动,燃气流在经过涡轮叶片时,会对涡轮叶片施加一个使其旋转的力矩。反过来,涡轮叶片为了被驱动旋转,也会对这股燃气流施加一个作用,这个作用会让燃气流的动量方向发生改变。

你可以这样理解:燃气流“试图”直接向后喷射,产生推力。但它必须经过涡轮,而涡轮是为了驱动风扇和压气机,所以涡轮会“阻碍”燃气流直接向后喷射,强行让它绕过涡轮叶片,实现旋转。这个“阻碍”和“绕过”的过程,就是在燃气流中产生了一个扭转的趋势。

所以,如果你说的“反扭力”是指:发动机的核心机部分,为了产生向前的推力,必然会有一个内部的旋转部件(涡轮)在消耗燃气流的能量,而这个消耗能量的过程本身,会迫使燃气流产生一个与涡轮本身旋转方向相反的“扭转力”或者说是“反作用力矩”,进而影响到喷出的燃气流和整体的推力产生方向。

那么,可以说是有的。

更准确的说法是,涡轮叶片在被高速燃气流冲击,从而驱动涡轮(以及连接的主轴和风扇)旋转的过程中,燃气流在经过涡轮时会受到来自涡轮叶片的力,这些力的一部分用于驱动涡轮旋转,而另一部分则会改变燃气流的动量和方向。 这种改变涉及到一种方向性的“扭转”,虽然它不是一个单独的、可独立出来的“反扭力”概念,但它是发动机内部力学相互作用的一部分。

你可以想象一个场景:

把涡扇发动机想象成一个非常强的抽水机,它吸水进去,把水加速后从后面喷出来,推动船前进。而涡轮就像一个水车,被喷出的水流打着转,然后这个水车又通过轴带动了前面的水泵(风扇和压气机)。

水流喷出去产生推力是主要的。但是,当水流冲击水车叶片的时候,水流本身也在旋转。这个旋转是怎么来的呢?是水流被水车叶片“导向”了。水流向后喷射的同时,它也会给水车一个向前的推力。但水车为了旋转,它也会对水流施加一个力,这个力使得水流在喷出时带有一定的旋转分量。

涡扇发动机里也是类似。燃气流从燃烧室出来,带有巨大的能量。它冲过涡轮,让涡轮转动。这个过程中,燃气流在“挤”过涡轮叶片,给叶片一个力使它转动。而涡轮叶片为了被驱动,它也会给燃气流一个力,改变燃气流的方向和速度。这个改变的方向和速度,就包含了轴向的加速(产生推力),也可能包含一定的周向的运动(旋转)。

所以,如果“反扭力”是指发动机内部因为其工作机制而产生的、影响燃气流方向或动量的与旋转相关的反作用力,那么可以说涡扇发动机在工作时是存在的。它不是一个独立的、独立的部件,而是整个能量转换和动量传递过程中的一部分。

关键在于理解,涡轮是被燃气流驱动的,而涡轮的旋转是为了驱动风扇和压气机。在这个相互作用链条中,燃气流在“推”动涡轮的同时,也会受到涡轮的“作用”,这种作用会改变它的动量。

总结来说,涡扇发动机本身不会产生一个独立存在的、与主驱动方向相反的“反扭力”来抵消它自己的推力。它产生的是向前的推力。但是,在其工作过程中,为了驱动核心部件(涡轮驱动风扇和压气机),燃气流在经过涡轮时,会受到涡轮叶片的力学作用,使得燃气流在向后喷射的同时,也会带有一定的旋转分量,或者说,燃气流为了驱动涡轮转动,本身会产生一个“扭转的趋势”。

这个“扭转的趋势”是不是你所说的“反扭力”,就看你对这个词的定义了。在工程术语里,通常会更关注“推力”、“力矩”、“效率”等描述。但从物理原理的角度,确实存在这样一种相互作用。

网友意见

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没有。据我看过的S2流面数据,气流基本就是轴向进,轴向出。

稍稍展开一下,按几种发动机类型逐个分析:

首先以涡喷发动机为基础:


涡喷发动机是这个样子的。对航空燃气涡轮发动机的扭矩问题,有几个前提要清楚:首先,所有的扭矩都来自气体对叶片的作用,只有叶片和整流支板能够气体的扭矩作用。像直通道例如外涵、燃烧室火焰筒这类没有径向结构的,是不可能与气流相互产生扭矩作用的。其次,气流由进气道进入发动机,是沿轴向进入没有旋流的(上图中②处)。气流离开压气机进入燃烧室(上图中③处)是轴向流动,没有旋流的,否则设计燃烧室的同志们会出来骂街。

分析扭矩问题采用的方法是角动量定理以及作用力与反作用力的关系。对于压气机来说,气流进入压气机没有旋流,离开时没有旋流,说明气流在流经整个压气机部件过程中,受到压气机转子叶片和静子叶片的扭矩之和是0,相应的也就是说压气机转子受到气体扭矩与静子受到的气体扭矩是大小相等方向相反的

在稳态下,转子转速保持恒定,此时压气机转子的扭矩与涡轮转子的扭矩也是相等的,有


现在问题就在于 M涡轮.转子 和 M涡轮.静子 是什么关系。涡轮进口(图中④处)也没有旋流,那就看⑥了。⑥这个位置,如果后面接一个加力燃烧室,涡轮也是不敢放任他们排出去的气流有旋流的。靠什么?一般气动设计上会保证,如果保证不了,还有整流支板能起一点修正旋流的作用(下图红圈处)。

于是也就有了

这样,

在整个静子上面受到气流总的扭矩为0,发动机不向飞机输出扭矩。

如果没有加力燃烧室,带着旋流的气流进了喷管,喷管会把气流旋转着喷出去,排气方向不沿轴向方向,损失的推力会算在喷管的推力系数上,喷管的同志也会骂街的。

当然也有可能不带整流支板或者支板数量太少,整流作用不大,这种情况涡轮必须尽力避免转子叶片出口有剩余的旋流,否则喷管不骂街总体也会骂街的。

涡喷讲完,涡扇就好理解了。无论单转子双转子,只要②、13、25、③、⑤这几个位置气流是轴向的,发动机就不输出扭矩。再简单点考虑,其实只要②和⑧是轴向的,就不会有扭矩输出给飞机。


再接下来,可以探讨一下涡桨发动机。对于涡桨发动机,最大的扭矩是来自对驱动螺旋桨的需求。我们很容易认为螺旋桨和风扇(特别是大涵道比发动机的单级大风扇)是非常接近的东西。但两者有一个重要的区别,风扇转子后面是有静子叶片的。风扇转子带动着旋流起来的气流到了静子叶片是要把旋向速度滞止下来的。风扇是一个提高气流总压的东西,产生推力是靠高压的气流经过喷管降压加速后高速排出产生的(强调一下,推力不是在喷管产生的,而是因喷管产生的)。螺旋桨不一样,它没有静子,只有旋转的桨叶,它要的是“拍击”空气获得的反作用力,至于被它搅过的气流是怎么流的,它不在乎。螺旋桨后的气流,是有着复杂的旋流的。所以螺旋桨受到发动机输入的巨大扭矩。而这个扭矩,主要来自动力涡轮转子。但又有一个问题,涡轮转子的扭矩是不会传给飞机的。转子与静子的联接全靠轴承。轴承可以承受轴向力、径向力甚至有时还能承受弯矩(子午面内的力矩)但就是不会承受扭矩(否则转子就转不动或转不灵活了),为什么飞机还会受到反扭力矩呢?这个力矩只能来自动力涡轮静子。换种方式说,在涡扇发动机中,风扇转镜子扭矩大小相等方向相反,低压涡轮转子与风扇转子扭矩大小相等方向相反,所以低压涡轮静子与风扇静子扭矩大小相等方向相反。而在涡桨发动机中,螺旋桨扭矩与动力涡轮转子扭矩大小相等方向相反,如果涡轮排气为轴向,动力涡轮静子与转子扭矩大小相等方向相反,而并没有一个“螺旋桨静子”来抵消动力涡轮静子的扭矩。所以,动力涡轮静子会有一个巨大的剩余扭矩传递给飞机。

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