航小北的日常科普/文

有一些熟悉軍事裝備的朋友一定知道，在航空發動機中有一種被稱為“轉子對轉”的現象，表示在設計中，航空發動機會讓高壓轉子和低壓轉子旋轉方向相反。在2月7日的首條推送中，我們還專門討論過，有興趣的朋友們可以翻翻看。在文中小編指出了：轉子對轉並不是為了取消渦輪前進口導向器。但是限於篇幅，小編卻沒有解釋兩個問題：

高低壓轉子對轉除了減重之外，到底有什麼好處？

既然高低壓轉子對轉使得取消渦輪前進口導向器成為可能，但是為什麼很少有人這麼做呢？

今天，我們一個一個來說。

高低壓轉子對轉的好處

除了可以取消低壓渦輪前導向器來減輕重量外，高低壓轉子對轉總的來說有兩個顯著的好處。

好處1：控制轉子的陀螺力矩效應

所謂的陀螺力矩效應就是當物體在高速旋轉的時候，它會在指向方向上有一種慣性，而你想要改變物體的空間方向，就一定會受到來自旋轉物體的反作用力。

↑高速運動的物體在空間中的方向會保持不變↑

這就是說，當飛機做機動飛行的時候，會強迫發動機中的那些飛速轉動的轉子改變空間中的方向，從而使飛機受到一定的反作用力矩。這個力矩一方面會影響飛機的機動性，但是更重要的是，這些額外的力矩對於諸如發動機-飛機連線部位的強度是很不利的。所以當看到飛機在做機動飛行的時候，你可以想象發動機在倔強地抗拒著飛機的轉彎，並帶來不利影響。

↑飛機在做機動飛行↑

而透過兩個轉子的對轉，可以讓轉子產生的陀螺力矩互相抵消，從而一定程度上降低陀螺力矩效應對發動機和飛機產生的不利影響，這就是轉子對轉的第一個好處。

好處2：最佳化轉子的振動

而真正讓航空發動機越來越傾向於使用轉子對轉設計的，其實是這第二個好處：那就是從動力學的角度儘可能地緩解了轉子的振動問題。

所謂的轉子振動，就是當轉子轉速接近某些特定轉速的時候，會產生一種名為“共振”的現象，從而使得發動機必須要停止工作，否則就會造成發動機不可逆的損傷和破壞。

↑發動機轉子的共振↑

如果只有一根轉子，那麼轉子的振動問題相對來說就比較好解決，但是當高低壓轉子在發動機那麼小的空間內共同工作的時候，他們之間是互相影響的，這就意味著兩根轉子的振動絕對不是1+1=2那麼簡單，而是要遠比一根轉子的振動複雜得多。

而相比較於同向轉動，當兩根轉子反向轉動的時候，可以讓轉子的工作點更加遠離共振點。其中的影響原理非常複雜，但是可以給大家看一個直觀的結果。

下面這張圖裡，橫座標是低壓轉子轉速，縱座標是高壓轉子轉速，所以左半邊就是高低壓轉子轉速相反的情況（相對轉動），而右半邊就是高低壓轉子轉速相同的情況（同向轉動）。而轉子在正常工作狀態下，對應的高低壓轉速點就在灰色區域內，而那些彩色的線是絕對不能碰到的線。顯然，當高低壓轉子對轉的時候，安全區域更大，也代表發動機也就更加穩定。

↑轉子對轉對共振轉速分佈的影響↑

所以，上面兩個原因，才是高低壓轉子相對轉動的好處，遠遠不是“可以取消低壓渦輪進口導向器”這一個好處。

取消低壓渦輪進口導向器有什麼代價？

雖然說取消低壓渦輪進口導向器不是高低壓轉子對轉的唯一好處，但畢竟也是一個好處呀，為什麼不取消呢？其實這其中的原因也很簡單：因為想要取消低壓渦輪進口導向器太難了！

高壓渦輪葉片做不長

我們知道，在壓氣機中，氣流是被壓縮得體積越來越少，而在渦輪中，氣流則是越膨脹體積越大，這就是為什麼我們一般看到的航空發動機都是“小蠻腰”，因為燃燒室前氣流體積是越來越小，而燃燒室後，氣流體積則是越來越大。而這個趨勢反映到葉片的長度上，就是渦輪中越靠後的葉片長度就越大。

↑渦輪部分葉片會越來越長↑

原先有進口導向器葉片的時候，還可以有一級靜子葉片過渡一下，所以高壓渦輪葉片長度可以設計的短一些，但是如果要取消進口導向器葉片，第一個大問題就是高壓渦輪葉片不得不做得很長。

我們拿F136發動機和F110發動機為例，其中F136發動機沒有低壓渦輪進口導向器葉片，而F110卻依然保留了這一結構，F136發動機低壓渦輪葉片長度和高壓渦輪葉片長度的比值是2.1，F110則是1.25。

要知道，高壓渦輪轉速極高、溫度極高，可以說是整個發動機載荷最惡劣的位置，如果讓高壓渦輪葉片變長，無疑非常不利於葉片的強度壽命，需要更先進的材料和設計技術才能夠hold住這個設計。所以，即便強大如美國，到現在還沒有完全解決這個問題。

渦輪級間冷卻和封嚴怎麼辦？

而除此之外，低壓渦輪進口導向器葉片的功能也不僅僅是調整氣流方向。事實上，這個部件的下方還有一大坨結構，這些結構主要是用來冷卻和封嚴，一方面保證渦輪盤的溫度不會太高，另一方面則是防止高低壓渦輪之間高壓氣體亂跑。

↑F119發動機低壓渦輪進口導向器下方的冷卻和封嚴結構↑

如果取消了進口導向器，那麼這些冷卻和封嚴結構要放到哪兒？難道讓這些重量隨著轉子一起高速轉動嗎？所以如果不解決這個問題，只是不管三七二十一，不要低壓渦輪進口導向器了，根本無法實現發動機的功能，這也是為什麼不取消渦輪前進口導向器的原因之一。

總結一下

高低壓轉子對轉主要的好處是顯著改善轉子陀螺力矩效應和轉子振動特性，而且在不取消低壓渦輪進口導向器的前提下，讓原本同向轉動的高低壓轉子改成相對轉動，其實難度不大。

而想要取消高低壓轉子之間的導向器，會面對高壓渦輪葉片過長和渦輪級間冷卻/封嚴無處安放兩個很嚴重的問題，沒有足夠的材料、設計技術，很難解決，即便是美國到今天也不能做到去除這些不利影響。

這就是為什麼現在轉子對轉的航空發動機很多，但是取消渦輪前進口導向器葉片的航空發動機數量幾乎為0的原因了。