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雖然都叫噴氣發(fā)動機(jī)，但是前后出現(xiàn)的這一系列發(fā)動機(jī)技術(shù)彼此之間有很大的區(qū)別，本文從宏觀設(shè)計(jì)層面出發(fā)，給大家介紹下這一條航空發(fā)動機(jī)的科技樹。
渦噴發(fā)動機(jī) 最早出現(xiàn)的噴氣發(fā)動機(jī)就是渦噴發(fā)動機(jī)，其原理說起來實(shí)際上簡單得很，就是通過加熱氣體，通過熱脹冷縮將高壓氣體噴出產(chǎn)生壓力推動飛機(jī)前進(jìn)。 作為第一代噴氣發(fā)動機(jī)中就出現(xiàn)的設(shè)計(jì)，渦噴發(fā)動機(jī)雖然思路簡單，但卻過度粗暴，效率低。 在噴氣發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，無效能量主要通過兩個(gè)方式消耗掉：
如何在保證推力的前提下，降低這兩種形式的能量損耗是后續(xù)發(fā)動機(jī)提升效率的主要發(fā)展方向。 由E2=1/2Fv可以看出，在推力F不變的情況下，降低v可以減少E2；由E1=d*m*△T可以看出，在噴出氣體不變的情況下，降低氣體溫度可以減少E1。 區(qū)分內(nèi)外涵道的渦扇發(fā)動機(jī)就是在這種思路下應(yīng)運(yùn)而生的。
渦扇發(fā)動機(jī) 渦扇發(fā)動機(jī)對比渦噴發(fā)動機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是嵌套的兩層涵道結(jié)構(gòu)，內(nèi)涵道跟渦噴發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)類似，外涵道看上去則只是一層空空的過道。 經(jīng)過首級增壓扇葉(最頭部最大的那個(gè)扇葉)推動的空氣，一部分空氣進(jìn)入內(nèi)涵道，經(jīng)過壓縮，燃燒，噴射產(chǎn)生推力；另一部分空氣進(jìn)入外涵道，直接排出，就好像螺旋槳發(fā)動機(jī)一樣產(chǎn)生空氣推動力。 然后，神奇的事情就發(fā)生了，因?yàn)橥夂揽諝鉀]有經(jīng)過燃燒加壓，溫度比內(nèi)涵道的低得多，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體噴出氣體的溫度降低，也就是E1中的△T降低；同時(shí)因?yàn)闆]有加壓，外涵道噴出氣體的流速也比內(nèi)涵道低，也就導(dǎo)致整體噴出氣體的v降低，也就是E2中的v降低。也就是說，渦扇發(fā)動機(jī)同時(shí)將溫度和速度都降低了，導(dǎo)致無效能量減少，能量降低。而外涵道空氣流量與內(nèi)涵道空氣流量的比值，就叫做涵道比。 通常情況下，涵道比越高的發(fā)動機(jī)效率越高。所以大多數(shù)考慮經(jīng)濟(jì)效益的民用噴氣發(fā)動機(jī)都是渦扇發(fā)動機(jī)（大多涵道比在5以上）。但是軍用發(fā)動機(jī)，尤其是超音速戰(zhàn)斗機(jī)則仍采用渦噴發(fā)動機(jī)（涵道比為0）。原因也很簡單，因?yàn)橥ㄟ^旋轉(zhuǎn)螺旋槳葉推動空氣來達(dá)到高速甚至超音速，轉(zhuǎn)動螺旋槳本身的能量消耗就高的嚇人（當(dāng)然實(shí)際上還因?yàn)槌羲亠w行中，各種空氣動力學(xué)原因?qū)е侣菪龢?qū)動的方案不可行）。
渦槳發(fā)動機(jī) 渦槳發(fā)動機(jī)則是渦輪發(fā)動機(jī)的另一個(gè)極端。放棄內(nèi)涵道結(jié)構(gòu)，完全依靠螺旋槳的旋轉(zhuǎn)來提供動力。 既然主要的動力由螺旋槳提供，那實(shí)際上渦槳發(fā)動機(jī)的驅(qū)動原理和傳統(tǒng)的活塞發(fā)動機(jī)其實(shí)是一樣的，不同的只是驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的動力來源不同而已。甚至我覺得都不應(yīng)該稱之為渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，叫“渦輪驅(qū)動的螺旋槳發(fā)動機(jī)”更準(zhǔn)確些。
沖壓發(fā)動機(jī) 不知道大家有沒有留意到一點(diǎn)，上面講的所有渦輪發(fā)動機(jī)都有一個(gè)不變的結(jié)構(gòu)——渦輪（這不是廢話么...）。布設(shè)渦輪的目的就是將空氣吸進(jìn)燃燒室，通過燃燒增壓來產(chǎn)生動力。但是換個(gè)角度想想，如果速度進(jìn)一步加快，使得自然流過發(fā)動機(jī)的空氣就已經(jīng)足夠燃燒室工作，那不就可以省去復(fù)雜的渦輪結(jié)構(gòu)了么？沒錯(cuò)，這也就是沖壓發(fā)動機(jī)的主要驅(qū)動原理——高速迎面的氣流直接壓入燃燒室，燃燒加壓以產(chǎn)生動力。這樣的沖壓發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，可以省去復(fù)雜的渦輪結(jié)構(gòu)，體積減小，工藝較簡單。缺點(diǎn)亦然，因?yàn)槌跏紶顟B(tài)下是沒有沖壓的，所以這種發(fā)動機(jī)必須通過別的方式先達(dá)到高速，然后才能啟動。 沖壓發(fā)動機(jī)需要相當(dāng)高的速度才能工作良好，在速度達(dá)到3馬赫左右的時(shí)候工作最為有效。通常只有導(dǎo)彈，超音速飛機(jī)才會使用此種結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)。
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