壓氣機

壓氣機的作用是將來自渦輪的能量傳遞給外界空氣，提高其壓力后送到燃燒室參與燃燒。因為外界空氣的單位體積含氧量太低，遠小于燃燒室中的燃油充分燃燒所需的含氧量。所以如果外界空氣不經過壓縮，那么發動機的熱力循環效率就太低了。

在航空渦輪發動機上使用的壓氣機按其結構和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓氣機，一類是軸流式壓氣機。離心式壓氣機的外形就像是一個鈍角的扁圓錐體。由于其迎風面積大，現在已經不在主流航空渦噴/渦扇發動機中使用了，僅在渦軸發動機中有一些應用。軸流式壓氣機因其中主流的方向與壓氣機軸平行而得名，它是靠推動氣流進入相鄰葉片間的擴壓信道來實現氣流增壓的。軸流式壓氣機具有體積小、流量大、效率高的特點，雖然軸流式壓氣機單級增壓比不大（約 1.3～1.5），但是可以將很多級壓氣機葉片串聯起來，一級一級增壓，其乘積就是總的增壓比。軸流式壓氣機的這些優點，使其成為現代航空渦輪發動機的首選。

壓氣機的主要設計難點在于要綜合保證效率、增壓比和喘振裕度者三大主要性能參數滿足發動機的要求。

壓氣機效率是衡量壓氣機性能好壞的重要指標，它反映了氣流增壓過程中產生能量損失的大小，如果效率太低，能量損失過大，壓氣機就是出力不討好。

增壓比是指壓氣機出口氣壓與進口氣壓之比，這個參數決定了壓氣機給后面的燃燒室提供的"服務質量"的好壞以及整個發動機的熱力循環效率。目前人們的目標是提高壓氣機的單級增壓比。比如在GE公司的J-79渦噴發動機上用的壓氣機風扇有17級之多，平均單級增壓比為1.16，這樣17級葉片的總增壓比大約在 12.5左右；而F-22的F-119渦扇發動機的壓氣機中，3級風扇和6級高壓壓氣機的總增壓比就達到了25左右，平均單級增壓比為1.43。

但隨著壓氣機的增壓比越來越高，壓氣機喘振的問題凸顯了出來。

喘振是發動機的一種不正常的工作狀態，是由壓氣機內的空氣流量和壓氣機轉速偏離設計狀態過多而引發的。喘振是發動機的致命故障，嚴重時可能導致發動機空中停車甚至發動機致命損壞。衡量發動機喘振性能的指標叫做"喘振裕度"，就是說發動機的進氣口流量變化多少會引發喘振，這個值一般都要求達到15％甚至 20％以上。航空渦輪發動機性能要先進，穩定工作范圍寬，首先要求喘振裕度要大，壓氣機工作點距離喘振邊界遠。其次，發動機抗畸變能力要強。進氣口的氣有時是不均勻的，尤其是飛機做大機動動作時，進氣道唇口氣流發生分離，造成壓氣機進口畸變，氣流不均勻。這時發動機的喘振裕度就會減小，加減速又會把一部分喘振裕度消耗掉，也可能造成停車，所以喘振裕度必須足夠，對畸變不敏感。導彈的尾焰也容易造成溫度場畸變，使發動機停車，所以要有武器發射防喘自動控制系統。

早期的軸流式壓氣機多數為單轉子軸流式壓氣機，即各級壓氣機是裝在同一根傳動軸上、由同一個渦輪驅動并以相同轉速工作的。這種壓氣機結構比較簡單，但是當單轉子的發動機在工作中轉速突然下降時（比如猛收小油門），氣流容積容量過大而形成堵塞，從而導致前面各級（低壓壓氣機）葉片處于小流量大攻角的工作狀態。這時，就像飛機在大攻角飛行時出現失速一樣，氣流在壓氣機葉片后面開始分離，這種分離嚴重到一定程度，就會出現喘振。在單轉子軸流式壓氣機中，為了降低低壓部分在這種情況下的攻角，只好在壓氣機前加裝可調導流葉片以降低氣流攻角，或者在壓氣機的中間級上進行放氣，即空防掉一部分已經增壓的空氣來減少壓氣機低壓部分的攻角。

為了提高壓氣機的工作效率并增加發動機喘振裕度，人們想到了用雙轉子來解決問題，即讓發動機的低壓壓氣機和高壓壓氣機工作在不同的轉速之下，這樣低壓壓氣機與低壓渦輪聯動形成低壓轉子，高壓壓氣機與高壓渦輪聯動形成高壓轉子。由于低壓壓氣機和高壓壓氣機分別裝在兩個同心的傳動軸上，當壓氣機的空氣流量和轉速前后矛盾時，它們就可以自動調節，推遲了前面各級葉片上的氣流分離，從而增加了喘振裕度。

然而雙轉子結構的發動機也并不是完美的。在雙轉子結構的渦扇發動機上，由于風扇通常和低壓壓氣機聯動，風扇為了遷就壓氣機而必須在高轉速下運行，高轉速帶來的巨大離心力就要求風扇的葉片長度不能太大，涵道比自然也上不去，而涵道比越高的發動機越省油。低壓壓氣機為了遷就風扇也不得不降低轉速和單級增壓比，單級增壓比降低的后果就是不得不增加壓氣機的級數來保持一定的總增壓比。這樣一來壓氣機的重量就難以下降。

為了解決壓氣機增壓比和風扇轉速的矛盾，人們很自然的想到了三轉子結構。所謂三轉子就是在雙轉子發動機上又多了一級風扇轉子。這樣，風扇、低壓壓氣機和高壓壓氣機都自成一個轉子，各自都有各自的轉速。因此，設計師們就可以相對自由地設計發動機風扇轉速、風扇直徑以及涵道比。而低壓壓氣機的轉速也就可以不再受風扇的掣肘。

但和雙轉子發動機相比，三轉子發動機的結構進一步變得復雜。三轉子發動機有三個相互套在一起的共軸轉子，支撐結構更加復雜，軸承的潤滑也更加困難。三轉子發動機比雙轉子發動機多了很多工程上的難題，可是英國的羅爾斯·羅伊斯公司還是對它情有獨鐘。羅·羅公司的RB-211渦扇發動機上用的就是三轉子結構，轉子數量的增加帶來了風扇、壓氣機和渦輪的優化。該型發動機裝備在許多型號的客機上。

三轉子的RB-211與同一技術時期推力同級的波音747用雙轉子JT9D渦扇發動機相比，JT9D的風扇葉片有46片，而RB-211只有33片；壓氣機、渦輪的總級數JT9D為22級，而RB-211只有19級；壓氣機葉片JT9D有1486片，RB-211只有826片；渦輪轉子葉片RB-211是 522片，而JT9D多達708片；但從支撐軸承上看，RB-211有8個軸承支承點，而JT9D只有4個。

為了千方百計提高壓氣機的喘振裕度，除了采用雙轉子壓氣機外，中間級放氣以及機匣處理等措施已逐漸被廣泛運用。在很多現代化的發動機上人們都保留了放氣活門以備不時之需。比如在JT9D渦扇發動機上，普拉特·惠特尼公司就分別在高、低壓壓氣機的第4、9、15級上保留了三個放氣活門。"昆侖"發動機也采用了先進的機匣處理措施，以及數字式防喘控制系統。