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这篇文章要给大家介绍的是有关于航空发动机方面的相关知识，其实关于飞机上使用的航空发动机，大家平时应该也听得很多了，像什么涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，以及还有什么小涵道比发动机这些，听得最多、最频繁的应该就是涡喷发动机和涡扇发动机这两种了吧，同时还带有“涵道比”这样的名词，但是对于很多人来说，应该都只是只知道它们的名字，并不知道这些发动机之间有什么区别和差异，所以，在这篇文章里就来给大家简单地介绍一下涡喷发动机和涡扇发动机的相关知识，看完之后，基本上就能知道涡喷和涡扇发动机之间的区别了，以及有关涵道比这样的一些名词解释。 装配f-135发动机的F-35战斗机 首先，涡喷发动机的全称是涡轮喷气发动机，涡扇发动机的全称则是叫涡轮风扇发动机，至于它们两者之间的区别，我们可以从结构、推力产生来源以及主要用途上去区分。先来看两者的结构，首先，这两种发动机都同属于空气喷气式航空发动机，它们在核心组件的结构上是大同小异的，即都是“压气机+燃烧室+涡轮”的三样式结构，或者我们可以这样说，基本上所有航空发动机的核心结构都是这样的。像下图一中的就是一个涡轮喷气式发动机的结构简图，注意看图中标记出来的压气机、燃烧室和涡轮结构，至于涡轮风扇发动机，同样也有压气机、燃烧室和涡轮，但是与涡喷不同的是，涡扇发动机在前端还多了个风扇组件，以及因风扇而多出的外涵道，如下图二而所示： 图1：涡喷发动机结构简图 图2：涡扇发动机结构简图 所以，如果简单从结构上去分，那么涡扇发动机相比于涡喷发动机就是多出了个风扇和外涵道，同时，也正是因为在结构上存在这种差异，导致这两种发动机的推力来源也是不一样的，首先，涡喷发动机的推力产生过程大概是这样的：外界空气由进气道进入发动机，然后被压气机压缩，成为高压气体后进入到燃烧室与燃料混合燃烧，从而变成高温高压燃气，接着，这个高温高压燃气从喷口出来的过程中，会先喷射到涡轮机的叶片上，带动涡轮的运转从而反馈带动压气机的工作，剩余部分的燃气才是从喷口出来而产生推力。如下图所示，为涡轮喷气发动机的工作过程示意图。而从这个过程我们也可以理解到，涡喷发动机在喷气能量的利用效率上是很低的，为什么？答案有两点，一很大一部分能量被涡轮机带走反馈到压气机上了，二则是剩余的从喷口喷射而出的燃气温度很高，一部分能量会以热能的形式消散在空气中。 涡喷发动机工作原理图 说完涡喷发动机的推力产生过程，我们继续来介绍涡扇发动机的，先来看下面那个涡扇发动机的工作原理动图，图中的箭头表示的就是空气的流通路径，从这个动图我们可以知道，外界的空气从进气道进如发动机后，一部分经由风扇、外涵道后会达到尾部的喷口，另一部分则是和涡喷发动机的差不多，经过内涵道，即压气机、燃烧室后变成高温高压燃气体，最终也是达到尾部的喷口（部分能量一样经过涡轮来带动前面的压气机和风扇），这时，在尾部的喷口处，高温的内涵道燃气与温度较低的外涵道空气混合，变成温度较低的混合燃气再后从喷口高速喷出。因此，对于涡扇发动机来说，它的推力来自于高温高压燃气喷射产生的推力和风扇转动产生的推力之和。 涡喷发动机工作原理动图 所以，与涡轮喷气发动机相比，涡轮风扇发动机的推进效率要更高，为什么？原因有二，一是涡扇发动机多了个风扇也会产生推力，还有一点则是喷气从尾部喷口高射喷射的混合气体温度相对更低（前面已经提到从内涵道燃气会与冷空气混合），喷射的速度也就相对小一些，那么，喷气的速度小为什么推进效率反而会更高呢？因为发动机的推进效率与进气速度和出（喷）气速度有关，它们之间存在这样一个函数关系，看下图，图中的字母“η”表示发动机的推进效率，“V进”表示进气口的空气流速，“V出”则表示喷气口的燃气喷射速度，而根据这个公式的数学关系来看，只有“V出”的数值越接近“V进”，即比值越接近1，推进效率“η”的数值才会越大，而当“V出”=“V进”时，两者的比值为1，此时发动机的推进效率就达到了理论上的100%。所以，对于涡喷发动机来说，“V出”的数值要远大于“V进”，所以其推进效率“η”的就越小；而涡扇发动机不同，喷口出燃气与空气混合后温度和速度都会在一定程度上减小，使得“V出”更加接近“V进”，所以推进效率“η”的值就更大。 发动机推进效率相关数学公式 因此，以上就是涡喷发动机和涡扇发动机在推进效率上的区别，也就是说，在产生一样推力的情况下，涡扇发动机有着更加优秀的推进效率，即它的燃油经济性更好。不过呢，有利就有弊，虽然多了个风扇能给涡扇发动机带来更高的推进效率和更优异的燃油经济性，但是，同样也会有弊端，即风扇会给发动机带来更大的体积，发动机的头部迎风面积会更大，这样一来，飞行器的速度越高，发动机产生的风阻也就会越明显。所以，头部大的大涵道比涡轮风扇发动机不适合用于高空高速飞行，这些发动机通常都是用在那些以亚音速飞行为主的民航客机、货运飞机上，或者是一些军用运输机。比如下图所示，就是客机上的大涵道比涡扇发动机： 民航客机上的大涵道比涡扇发动机 而对于涡喷发动机来说，虽然在燃油经济性和推进效率上比不上涡扇发动机，但是它同样也有自己的优点，那就是适航范围更加广，无论是高空高速截击还是低空亚音速飞行，涡轮喷气发动机都可以胜任，当然了，在低速飞行条件下，涡喷的油耗会更加感人，同时又没有较好的低空低速性能。所以，今天还在使用涡轮喷气式发动机的飞机基本上都是那些老式战斗机，比如下图中的就是米格-21高空高速截击机上使用的Tumansky R-25-300涡轮喷气式发动机，这些以高空高速飞行为主的战斗机使用涡喷发动机是最合适的。 Tumansky R-25-300涡喷发动机 说到这里，或许有人又会问了，既然是老式战斗机一般才会使用涡喷发动机，那么现在的先进战斗机使用的是什么发动机呢？就是涡轮风扇发动机， 只不过我们要在前面加一个前缀，即：小涵道比涡轮风扇发动机。前面我们提到了大涵道比涡扇发动机，这里又有一个小涵道比涡扇发动机，那么这个“涵道比”究竟是什么意思呢？不同涵道比的发动机又有什么不同？我们下面继续来介绍，首先，前面介绍涡扇发动机结构和工作原理的时候有提到，因为风扇的存在，空气从进气道进来后会被分为两个部分，一部分进入外涵道，另一部分则是通过内涵道，所以，这个涵道比其实就是指：分别流经外涵道和内涵道空气流量之间的比值，如下图所示，注意看图中对内、外涵道的标记。在大多数情况下，涵道比的数值与风扇的大小有关，为什么？其实很好理解，因为内涵道的宽度是固定的，意味着流过的空气流量也是固定的，而外涵道的宽度则是与外部风扇的体积有关，风扇体积越大，发动机的外涵道宽度就越大，这样一来，经过外涵道的空气流量就越越多，两者间的比值'涵道比'（外涵道/内涵道）的数值也就越大了。 内、外涵道空气流量示意图 因此，为什么我们经常说军用战斗机使用的都是小涵道比涡扇发动机呢？原因就在于这，战斗机大多数情况下是以高速飞行为主，同时又需要兼顾优异的机动性能和燃油经济性，所以，推进效率高、燃油经济性好的涡扇发动机就是一个很好的选择，但是传统的涡扇发动机头部大，高速条件下的体积和风阻也大，并不适用于高空高速飞行，所以，想要把涡扇发动机用到今天的战斗机上，那么就必须减小它的体积和重量，以及头部的迎风面，而减小体积的途径就是减小前面的风扇大小，以及外涵道的宽度，所以也就相应地减小了发动机的涵道比，成为了我们平时经常说的小涵道比涡扇发动机。有关不同涵道比的发动机的应用，我们可以来看下面两张图，图1是部分军用战斗机的发动机涵道比数据，图2则是一些货运/客运大飞机的发动机涵道比数据，从图中我们就可以知道，同样是使用涡轮风扇发动机，战斗机发动机的涵道比都是小于1的，而那些大飞机的发动机涵道比数值则是都大于1。 图1：部分军用飞机发动机涵道比
图2：部分客运/货运飞机涵道比 因此，有关涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，以及涵道比的解释到这里基本上就介绍完了，但是涡喷和涡扇发动机并不代表着航空发动机的全部，它们只是航空发动机领域的其中一小部分，我们说的航空发动机，往大里说，它又属于燃气轮机，所以，航空发动机的种类还有很多，比如我们常见的直升机上面的发动机，那个其实就叫做“涡轴发动机”，在结构上是“动力涡轮+传动轴+减速器”，再还有就是“涡桨发动机”，全称为“涡轮螺旋桨发动机”，从外观上看，涡桨发动机和传统的螺旋桨发动机很像，其实本质上把它称为螺旋桨发动机也是可以的，但是和传统的螺旋桨发动机不同，传统螺旋桨发动机使用的是活塞动力，而涡桨发动机上则是利用涡轮来带动螺旋桨的运转，涡桨发动机的优点是结构简单、省油、推力大，拥有优异的低速性能（甚至好于涡扇发动机），当然了，因为硬件上的限制，涡桨发动机不适用于高速飞行，因此，这款发动机一般用在小成本支线客机或者是老式军用运输机上，比如安22运输机，如下图1所示：
图1：使用涡桨发动机的An-22运输机
图2：使用桨扇发动机的An-70运输机 最后再拓展一个，即“桨扇发动机”，所谓的桨扇发动机，其实是一种介于涡轮风扇发动机和传统的涡桨发动机之间的“跨界型发动机”，为什么说它跨界呢？首先，它和涡桨发动机一样，外部有螺旋桨结构，但是桨扇发动机的螺旋桨转速要更高，其次，与涡扇发动机相比，桨扇发动机是没有外涵道的，从原理上看，和涡桨发动机一样都是利用涡轮来带动螺旋桨，但是两者不同的是，涡桨发动机有个减速器，即涡轮通过减速器在传动到螺旋桨上，而桨扇发动机则没有，而是直接由涡轮带动，因此，其转速明显跟高。也正是因为这种原因，桨扇发动机的桨叶在形状设计上和涡桨发动机的螺旋桨也是有差异的，同时，根据桨扇的位置不同，桨扇发动机又可以分为“后置桨扇式（牵引式）”和“前置桨扇式（推进式）”两种。桨扇发动机的优势很大，首先是经济性能好，可以和涡桨发动机相媲美，同时又可以兼顾类似涡扇发动机的推进和速度性能，因此，桨扇发动机也成为了新时代民用/军用大型客运/货运飞机的主要选择之一。上图二中的安-70运输机使用的就是桨扇发动机。 |
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