像歼10单台发动机,发动机高速旋转,是怎么克服旋转力矩的呢?

雄157625461


这个问题实际上不难,航空专业的同学表示可以回答一下这个问题。

我知道题主是联想到了直升机的扭转力矩的问题【如下图所示】,简单说,对于那些只有一个旋翼的直升飞机,由于旋翼在旋转的时候受到来自空气的巨大扭矩,所以需要通过一定的方式来抵消这个反作用力矩——方法可以是像下图这样增加一个尾桨,也可以是装上两个对转的旋翼。

那么歼十飞机为什么不用考虑这样的扭矩呢?很简单,因为这些扭矩在发动机内自动平衡了,不会传到飞机上。

歼十飞机使用的发动机叫做涡扇发动机。当我们把涡扇发动机拆开的时候,就会看到里面的旋转的那个物体,叫做转子【如下图所示】。而转子跟发动机的连接是通过轴承实现的。轴承这个东西大家都知道,就是希望中间在转动的那个东西受到尽量小的滚动摩擦力——反过来说,转子在转动的时候对发动机的反作用可以被认为忽略不计。

所以说,这就好比你用沾满了润滑油的手握住了一根杆子,这根杆子不管怎么转动、是转的快、转的慢,还是在加速转动,又或者是减速转动,你的手是感受不到杆子产生的力矩的——这也是为什么涡扇发动机转子产生的力矩不会传递到飞机上的原因【下图就是涡扇发动机中的轴承,可以看到,整个转子就是架在轴承上的】。

而转子又分成两个部分,分别是发动机前面的“压气机(compressor)”还有后面的“涡轮(Turbine)”【如下图所示,是涡喷发动机,虽然跟涡扇发动机略有区别,但是基本原理差不多】,简单来说,压气机就是给空气做功,而涡轮就是空气给涡轮做功,在工作过程中,压气机和涡轮受到的力矩方向相反。

同时,我们也可以看到,压气机和涡轮之间有一个被称为“转子轴(shaft)”的东西,这个东西把压气机和涡轮连在一起,所以两个力矩会通过这根轴而产生一定的相互作用。有人说这两个力矩是大小相等、方向相反的力矩,这个说法是错误的,实际上这两个力矩大小并不一定相等,当涡轮受到的力矩大于压气机的时候,转子就加速转动,而压气机受到的力矩大于涡轮的时候转子就减速转动——只是这个力矩不会传递到飞机上,而是在转子内部就被处理了。

可是直升机用的涡轴发动机一样有压气机、涡轮、转子轴,转子一样是被轴承支承着,为什么直升机就会受到发动机产生的力矩呢?

我们只要看一下下面的这个涡桨发动机的图就可以知道其中的原理了【涡轴的图不太好找,我就用涡桨的图替代,实际上原理差不多】。

我们可以看到,相比涡扇发动机,这里多了一个螺旋桨(prop),一个齿轮箱(Gearbox),而齿轮箱是连接在飞机上的。齿轮箱的作用就是:你从右端输入一个扭矩,然后通过齿轮箱中的齿轮转换,输出一个扭矩到螺旋桨或者直升机旋翼上。而且一般来说,输入扭矩要远远小于输出扭矩。

而这转换的过程,就产生了扭矩的差异——这样的差异就是直升机或者涡桨飞机受到的扭矩的来源,并且会进一步通过齿轮箱传递到飞机上。

所以你明白为什么涡扇发动机不要考虑转子的扭矩,而涡桨/涡轴发动机需要考虑了吗?


SilentTurbine


里面有根轴啊,发动机叶片旋转的转动惯量靠套在轴上的轴承抵消。

以涡扇发动机为例,现在普遍使用的都是双转子发动机,也就是说发动机里有两根轴。低压风扇和低压涡轮在一根轴上,高压压气机和高压涡轮在一根轴上。大轴套在小轴上。



发动机高速旋转的动力来自于涡轮前的燃烧室燃烧喷出的高温高压气体,气体依次对高压涡轮和低压涡轮做功,由涡轮带动在同一根轴上的风扇和高压压气机叶片旋转。

涡扇发动机的轴通过轴套和支撑系统与发动机壳体连接在一块。高压轴和低压轴之间卡的有轴承,较短的高压轴一般前后有两个支撑轴承,低压轴较长,除了前后两个轴承之外,在中间还有一个轴承,一共三个支撑轴承。


高压轴


低压轴

叶片转动的时候轴承起支撑作用和抵消转动角速度的作用,两个轴的相对转动靠卡在两个轴之间的轴承来抵消,轴承里面的滚珠是转动的,和汽车或自行车车轮的转动一个道理。

叶片高速旋转时产生的径向作用力,也作用在轴承上,轴承工作的条件非常恶劣,是影响发动机寿命的核心部件之一。叶片在装配时都要经过精心的调教,不会发生较大的径向跳动,如果发动机叶片损坏,导致力不平衡,或者轴承有轻微磨损,很快就会导致发动机轴承卡死,进而导致发动机转子“抱轴”,发动机就会停车,是危险性非常大的事故。



至于发动机低压和高压两根轴的旋转方向,可以是同方向旋转,也可以是相反方向旋转。看发动机的设计,俄罗斯的发动机如AL31F系列一般设计成同向旋转,美国的部分发动机设计成反方向旋转如CFM56系列。反方向旋转轴承的相对转速更高,是同方向旋转的两倍,每分钟最多可以达到2万到3万转。


一坑四弹


发动机只是表象,它的转子自身只在转速变换时才会产生一定的扭矩,实时存续的扭矩是发动机所裹挟的空气(不断加入做旋转运动)产生的。

所以这个问题和发动机不直接相关,要看气流组织情况,解决反扭矩问题。方法很多种:转子对旋、机翼调整、双发动机……