第十五章 核心機(jī) 結(jié)構(gòu)選擇

　　陳東風(fēng)在這么短的時(shí)間內(nèi)看了七八本書，如果是在雷劈以前是萬萬做不到的，即使他現(xiàn)在的自學(xué)只是囫圇吞棗。但他的腦域開發(fā)程度受到了意識融合后的二次開發(fā)，擴(kuò)大了將近一倍。他對數(shù)字的敏感程度、新技術(shù)的理解能力達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度，基本上自學(xué)和上課一個(gè)效果的程度。

　　現(xiàn)在他由于時(shí)間太緊，自學(xué)這些課程理解上還有點(diǎn)淺薄，因?yàn)樗麤]有把里面的公式都自己推導(dǎo)一次，只是先拿來用而已，但如果給他點(diǎn)時(shí)間溫習(xí)幾遍后，那他的掌握程度不亞于跟老師學(xué)習(xí)。

　　就這樣，陳東風(fēng)自學(xué)了將近一個(gè)月的時(shí)間，帶著他那些掌握的不是很通透的專業(yè)知識開始了航模核心機(jī)的設(shè)計(jì)。

　　陳東風(fēng)首先從貫穿發(fā)動機(jī)的軸來開始考慮，就是所謂的單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子航空發(fā)動機(jī)，這三種是各有優(yōu)缺點(diǎn)的。

　　單轉(zhuǎn)子的航發(fā)是把壓氣機(jī)和渦輪固定在同一個(gè)主軸上。在壓氣機(jī)和渦輪的中間是燃燒室，又稱火焰筒。高溫高壓的燃?xì)馔苿訙u輪以上萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動壓氣機(jī)也以這個(gè)速度旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣。單轉(zhuǎn)子（單軸）發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但壓縮效率有限，而且耗油率高。

　　雙轉(zhuǎn)子航發(fā)是人們把壓氣機(jī)分成了兩部分，即低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)；同時(shí)，把渦輪也分成了兩部分：即高壓渦輪和低壓渦輪。高壓渦輪和高壓壓氣機(jī)用一根空心軸連起來，低壓渦輪和低壓壓氣機(jī)用一根細(xì)點(diǎn)兒的軸連在一起，穿在空心軸里面。這樣做的結(jié)果就是高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)可以用不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，工作效率大為提高。

　　三轉(zhuǎn)子航的誕生是因?yàn)闇u扇發(fā)動機(jī)在壓氣機(jī)前面又多了一級風(fēng)扇。它同壓氣機(jī)、渦輪一樣是高速旋轉(zhuǎn)的葉片。那么它應(yīng)該與誰同軸同速呢？一般來講，風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)同軸同速，也就是采用雙軸體制。然而這又產(chǎn)生了一個(gè)效率不高的問題。所以干脆把風(fēng)扇軸也獨(dú)立出來，同另一組低壓渦輪連起來，于是三轉(zhuǎn)子（或三軸）發(fā)動機(jī)就誕生了。三軸提高了效率，發(fā)動機(jī)推力大增，燃油消耗也節(jié)約了不少。但帶來一個(gè)大問題，三根軸，一根套一根，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)如何能保證強(qiáng)度。

　　要選擇好軸的問題，必須要兼顧技術(shù)難度和核心機(jī)的效能。陳東風(fēng)開始是想要直接上雙轉(zhuǎn)子的，因?yàn)楝F(xiàn)在的航發(fā)主流都是雙轉(zhuǎn)子及以上。但楊輝和他在討論的時(shí)候就說了，我們的航模不僅是設(shè)計(jì)的要體現(xiàn)出現(xiàn)在的航發(fā)潮流，也要兼顧實(shí)用性可實(shí)現(xiàn)性，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會不僅會讓我們的理論計(jì)算變得復(fù)雜，也會讓我們最后實(shí)物變得異常困難，畢竟加工的難度我們也不好解決。陳東風(fēng)想想有道理，考慮再三選擇了單轉(zhuǎn)子。

　　軸確定好了，接下來陳東風(fēng)要開始設(shè)計(jì)軸上面的壓氣機(jī)和渦輪葉片的級數(shù)和轉(zhuǎn)速。壓氣機(jī)又分為離心式壓氣機(jī)和軸流式壓氣機(jī)?。

　　離心式壓氣機(jī)由導(dǎo)風(fēng)輪、葉輪、擴(kuò)壓器等組成。空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)、經(jīng)過壓氣機(jī)與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)風(fēng)輪的導(dǎo)引進(jìn)入葉輪。在高速旋轉(zhuǎn)葉輪作用下，空氣由葉輪中心被離心力甩向葉輪外緣，壓力也逐漸提高，由葉輪流出的空氣進(jìn)入擴(kuò)壓器后速度降低，壓力再次提高，最后由出氣管流出壓氣機(jī)。

　　離心式壓氣機(jī)的空氣流量為數(shù)公斤至數(shù)十公斤每秒。亞音速離心式壓氣機(jī)的增壓比約為4.5，超音速離心式壓氣機(jī)可達(dá)8～10，效率約為0.78。

　　軸流式壓氣機(jī)是因?yàn)榭諝庠谳S流式壓氣機(jī)中主要沿軸向流動。它由轉(zhuǎn)子和靜子兩部分組成。由一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成一級，單級的增壓比很小，為了獲得較高的增壓比，一般都采用多級結(jié)構(gòu)?？諝庠趬簹鈾C(jī)中被逐級增壓后，密度和溫度也逐級提高。

　　軸流式壓氣機(jī)的空氣流量為幾公斤每秒到二百公斤每秒，單級增壓比一般約為1.1～2.0，效率約為0.85～0.88。多級軸流式壓氣機(jī)的增壓比可達(dá)25以上。軸流式壓氣機(jī)的面積小，增壓比和效率都高。

　　采用軸流式壓氣機(jī)，勢必會讓壓氣機(jī)的級數(shù)增加而導(dǎo)致核心機(jī)重量提升，更何況陳東風(fēng)要設(shè)計(jì)的這個(gè)航模最大速度也不過是接近音速，所以對增壓比的要求達(dá)不到10以上。

　　更何況離心式壓氣機(jī)的動平性能好，氣流損耗小，噪音要低、震動也小。所以陳東風(fēng)已沒有為了技術(shù)而技術(shù)，選擇了比較實(shí)用也比較簡單的離心式壓氣機(jī)，在與其他三人交流過后，三人也認(rèn)可了他的選擇，一致認(rèn)為這是個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的方案。

　　接下來航模的渦輪結(jié)構(gòu)了。渦輪葉片一般承受較大的工作應(yīng)力和較高的工作溫度，且應(yīng)力和溫度的變化也較頻繁和劇烈，此外還有腐蝕和磨損問題，其對工作條件的要求非?？量?，因此要求葉片的加工精度很高。同時(shí)，為提高渦輪效率，渦輪葉片的表面形狀通常設(shè)計(jì)成扭曲的變截面曲面，形狀復(fù)雜。

　　陳東風(fēng)暫時(shí)先不打算考慮葉片的形狀設(shè)計(jì)和葉片加工精度，畢竟這個(gè)設(shè)計(jì)還停留在草稿紙上，他首先要考慮的式渦輪的結(jié)構(gòu)問題。渦輪有向心式結(jié)構(gòu)和軸流式結(jié)構(gòu)兩種。

　　氣流在其中作徑向流動的渦輪稱為向心式渦輪也稱為向心渦輪。它的葉輪形狀和離心式壓氣機(jī)葉輪的形狀很相似。

　　向心渦輪的優(yōu)點(diǎn)很多，比如當(dāng)設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，由于流動損失和余速損失較小，故效率高。在容積流量較小情況下此優(yōu)點(diǎn)更為明顯。如果葉片及整個(gè)葉輪都有良好的剛度，可以使周向速度達(dá)450—550米/秒，并且由于氣流作向心流動，渦輪能獲得大的比功和效率。由于向心渦輪的葉輪流動損失對于渦輪效率的效率影響較小，使流通部分的幾何偏差對效率應(yīng)先不敏感，所以可采用較簡單的制造工藝，而且向心渦輪的重量輕，葉片少，結(jié)構(gòu)簡單可靠，有較寬的運(yùn)行范圍。

　　基本上這種結(jié)構(gòu)簡單和易于實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)都是陳東風(fēng)所喜愛的。

　　最重要的就是燃燒室結(jié)構(gòu)的選擇了，不過因?yàn)槭鞘褂昧穗x心式的壓氣機(jī)，只能采用分管燃燒室或聯(lián)管燃燒室。

　　分管燃燒室就是每一個(gè)管式火焰筒外圍都包有一個(gè)單獨(dú)的外殼，構(gòu)成一個(gè)分管，分管利用傳焰管相連。它的優(yōu)點(diǎn)是和離心式壓氣機(jī)配合協(xié)調(diào)，并且易于實(shí)現(xiàn)并且維修方便。

　　聯(lián)管燃燒室是把多個(gè)火焰筒裝在同一個(gè)殼體間，各個(gè)火焰筒燃燒去間用連焰管連接。由于聯(lián)管燃燒室在保持了分管燃燒室的一些有點(diǎn)的基礎(chǔ)上把環(huán)形面積利用率提高了。

　　在綜合比較下，陳東風(fēng)還是采用了聯(lián)管燃燒室。雖然會用機(jī)構(gòu)復(fù)雜，重量較大的問題，但魚與熊掌不可得兼，只能平衡取舍了。