波音747的主发动机介绍

最近考虑重启747系列的撰写工作，发动机的结构十分复杂，本人又缺乏飞行器动力工程知识，因而写的可能不好。。。
原本看到那些写发动机介绍的文章产生了放弃直接写电力系统的打算，但觉得不写的话以后的说明将不清楚，遂勉强作出此文。

·概述
波音747-400装有5个发动机，其中4个是主发动机（engine，ENG），1个是辅助动力系统（auxiliary power unit，APU）。
波音747-400的主发动机均为涡轮风扇发动机。波音747-400的主发动机有三种可选，分别是通用电气航空的CF6-80C2B5F，普惠的PW4062和罗尔斯罗伊斯的RB211-524H。
下面以通用电气航空的CF6-80C2B5F型发动机为例，简要说明其结构以及运作方式。
CF6-80C2B5F大致可分为五个结构，分别是：风扇组件、核心机、高压涡轮、低压涡轮和附件。

下图大致说明了发动机涵道的结构和空气在各处发生的热力学变化。

·主轴（Axis）
CF6-80C2B5F有两个主轴，分别是低压轴和高压轴，低压轴的转速记为N1，高压轴的转速记为N2。
低压轴的额定转速（100% N1）为3280转／分；高压轴的额定转速（100% N2）为9827转／分。

·轴流式压缩机（Axial-flow Compressor）
CF6-80C2B5F型发动机的压缩机可分为低压压缩机和高压压缩机。
低压压缩机和高压压缩机均为轴流式压缩机，工质显然为空气。
轴流式压缩机是一种气体动力式压缩机，轴流的特点是气流的方向和轴承的一致（轴向流动）。
轴流式压缩机有转子和定子，转子由主轴带动，装有动叶，定子是固定的，装有静叶。
空气进入压缩机后，高速旋转的动叶使其速度上升，动能增大。其后经过静叶时，速度迅速减小，动能转化为内能，温度升高，压强增大，并且转向，进入下一级，由于无循环过程，输出的气流是连续的。
轴流式压缩机能处理较大流量的空气，但压缩比较小，因而采取增加级数的方法来提高输出压强。
根据能量守恒定律，气体动力式压缩机的压缩比（出气—进气压强比）随流量的增大而减小，这个影响在高转速下更加大。而下一级压缩机受上一级压缩机的制约，因而级数高的压缩机的压缩比对流量更为敏感。
喘振工况
如果流量足够小，低于喘振临界流量，那么压缩机会进入喘振工况，此时其出气压强会下降，其出口管路中的空气将倒流进入压缩机，造成其出口管路的压强下降，气流反向，由压缩机排出，压缩机的流量再次减小，气流反向，周而复始，由是形成的低频大幅度的振动，就是喘振。
喘振多发生在大迎角高转速的情况下，高转速时喘振临界流量大，然而大迎角时发动机无法吸入足够多的空气，发生喘振。
喘振危害很大，易损坏发动机，应当尽力避免。
阻塞工况
当转速低而空气流量过大时，易发生阻塞，其压缩比会急剧下降，是为阻塞。
低压压缩机（Booster）
低压压缩机属于风扇组件，有5级，其压缩比较低。
低压压缩机的第一级即风扇，风扇的内涵道部分有对应的静叶。
另一部分气流经外涵道导叶进入外涵道，这部分气流产生了大部分推力。外涵道气流与内涵道气流的质量流量的比值称为涵道比，CF6-80C2B5F的涵道比约为5.3，受可变旁通活门等影响，这个比值不是一成不变的。
风扇有38片叶片，叶片长度为0.762米。
低压压缩机的第二级叶片长15.2厘米，逐级递减，第五级为12厘米。

其性能曲线如图所示（仅作定性说明，下同）：

可变旁通活门（Variable Bypass Valve，VBV）
低转速下低压压缩机与高压压缩机的性能曲线对比：

阻塞多发生于高压压缩机，特别是在低转速下，这是因为高压压缩机级数大，对流量的变化更加敏感，而发动机按额定转速设计，因此低转速下低压压缩机输出流量过大，使高压压缩机阻塞。
为了解决低转速下高压压缩机阻塞的问题，在低压压缩机和高压压缩机间装有12个可变旁通活门，由燃油驱动，受电子发动机控制器控制，可以将过多的空气排至外涵道。
高压压缩机（High Pressure Compressor）
高压压缩机隶属核心机，有14级，压缩比较高。

其性能曲线陡峭，如图所示：

可变静叶（Variable Stator Vane，VSV）
高压压缩机的入口导向叶片和前5级静叶是可变的，由燃油驱动，受电子发动机控制器控制，通过改变静叶的角度，使高压压缩机适应更大的流量范围。
引气歧管（Bleed Air Manifold）
高压压缩机上装有3个引气歧管：
7级引气：用于冷却低压涡轮喷嘴
8级引气：提供给机上的空气系统
11级引气：用于冷却高压涡轮喷嘴和发动机进气口防冰
高压压缩机出口亦有引气歧管，同样作为机上空气系统的气源，系统会根据情况选择其中一个。

·燃烧室（Combustion）
燃烧室自然是“燃烧”的地方，燃料的化学能在这里转化为内能。

衬套组件（Combustion Liner Assembly）
衬套组件的特殊结构使火焰在这里稳定燃烧而不被气流吹灭，只有部分气流流经衬套组件。
燃油喷嘴（Fuel Nozzle）和点火器（Igniter）
衬套组件内有燃油喷嘴和点火器，来自高压燃油系统的航空煤油从燃油喷嘴喷出，点火器放出电火花引燃油气混合物，在发动机正常工作时，高压压缩机出气温度已经很高（压缩比超过25，初温0℃的情况下，按照绝热过程计算，约为370℃），再加上余热，航空煤油将会自燃，因而不用再点火。但是在特殊情况下，可以连续点火。
CF6-80C2B5F的燃油喷嘴多达30个，然而点火器仅有2个，且在一般情况下只使用其中一个。

·涡轮机（Turbine）
与压缩机相反，气流流经涡轮时做功，带动主轴，低压涡轮带动低压轴。
涡轮机包括转子和定子（涡轮导向器），气流流经涡轮导向器时转向，吹动涡轮叶片。
高压涡轮机（High Pressure Turbine）
高压涡轮机有2级，带动高压轴，第二级涡轮导向器使用11级引气冷却。
低压涡轮机（Low Pressure Turbine）
低压涡轮机有5级，带动低压轴，第二级涡轮导向器使用7级引气冷却。

·推力反向器（Thrust Reverser）
推力反向器能将外涵道的气流变为斜向前，因法向力相抵，再加上外涵道的推力远大于内涵道的，因此总体的推力是向后的。

CF6-80C2B5F的推力反向器的伺服器由引气驱动（普惠的不然，由液压系统驱动）。
747的推力反向器只能在地面工作。

·附件齿轮箱（Accessory Gearbox，AGB）
附件齿轮箱由高压轴带动，驱动一些附属设备（启动器是个例外，它反过来驱动高压轴）。
附件齿轮箱各个部件的作用，将在之后的各个章节中说明。

此文的图片除了性能曲线为自绘外，均改绘自飞机维护手册。文字则完全为手工录入。成文仓促，难免会有疏漏甚至错误，望见谅及加以指正。

都来看看呗