航空發動機中,渦噴、渦扇、渦漿發動機各有什麼優缺點?

蔡永固

這是渦噴發動機,主體構造包括進氣道,壓氣機,燃燒室,渦輪,以及噴管。當然了,圖中並沒有加力燃燒室,不過不影響,渦噴發動機的基本構造基本就是圖中這樣。

這就是渦扇發動機,說白了就是渦噴發動機前面家一組風扇然後在整個發動機外面再套一層。渦扇發動機就是比渦噴發動機多一組風扇和外涵道。結構比渦噴要複雜一些。

渦輪螺旋槳拿渦噴發動機,在中軸上外接一個螺旋槳及其附帶的動力傳動系統。

這3種發動機各自有不同的特點。在適應的最大飛行速度上:渦噴>渦扇>渦槳。在耗油率方面:渦噴>渦扇>渦槳。實際上,渦槳是比渦扇省油的。但是為什麼重視經濟性的客機不用渦槳呢?首先,渦槳發動機的客機無法使用客機常見的下單翼佈局。而且渦槳發動機的噪聲是真的很大。前蘇聯的TU-95在海上飛一遍,有時候連潛艇聲吶都能發現這個龐然大物。而且體積巨大的旋轉部件暴露在外,對於一天要飛幾趟航線的客機來說指不定會出啥問題。

目前來講,噴氣式發動機中,渦扇是應用最廣的,從軍事到民用。渦噴發動機則是少數軍用飛機裝備。比如中國的J-8,俄羅斯的MIG-31就是用的渦噴發動機。不過渦噴發動機實在是比較耗油,如今五代機主要還是裝渦扇。

渦扇發動機因為外涵道增加了部分阻力,所以超音速飛行性能上固然是不及渦噴發動機的,但是省油不少,現有技術下戰鬥機的巡航速度一般也就定在0.8M。F-22雖說是可以超音速巡航,但是畢竟100%軍推還是不如70%軍推巡航來的省油。

不過渦扇和渦噴發動機在未來預計30-50年內肯定是會被變循環發動機替代了。


貞觀防務

其實這幾種發動機都屬於燃氣渦輪發動機,三者存在一個前後相繼的關係,我們只要瞭解這三者的運轉原理,根據他們的原理就可以很好的列舉出他們的優缺點。(燃氣渦輪發動機)

渦噴發動機

前蘇聯的米格—25高空超音速戰鬥機就使用留裡卡設計局的渦噴發動機創造了3.3馬赫和37250米的升限記錄。(米格25)

渦扇發動機

由於渦噴發動機的油耗過高和低速性能差的缺點,人們進一步發展了噴氣發動機。科學家們在渦噴發動機前面加了一個大風扇,形成了“渦輪風扇發動機”,簡稱“渦扇發動機”進入發動機的空氣首先要通過風扇,一部分從增壓機和燃燒室的邊緣流過然後直接從後噴出,

稱之為“外涵氣流”。(渦扇發動機內剖圖)

一部分空氣跟渦噴發動機一樣流入增壓機和燃燒室再高速噴出,稱之為“內涵氣流”。這兩者共同形成發動機的推力,兩者的氣流比稱之為“涵道比”,渦扇和渦噴最主要的區別就是渦扇發動機的動力更加多樣,不單純依靠高溫高壓氣體,還有不需要加熱和增壓的外涵氣流。

(藍色為外涵氣流,紅色為內涵氣流)

這就使得渦扇發動機的燃油經濟性更好,並且發動機更加安靜而且具備了不遜於渦噴發動機的推力,但是渦扇發動機過於依賴外涵氣流和結構複雜也導致了其高空高速性能不佳和製造難度大的缺點。現代渦扇發動機很多都在風扇後安裝了“加力燃燒室”,可以在短時間內提高增大發動機的推力,主要用於飛機超音速飛行。作為渦扇發動機最重要的參數之一,涵道比大(也就是外涵氣流比例大)的渦扇發動機一般用於對速度要求不高但對經濟性要求高的民航客機和運輸機,涵道比小的(內涵氣流比例大)主要用於對速度要求高的戰鬥機和轟炸機。

(我國運20運輸機)

渦槳發動機

為了進一步的提高噴氣發動機的燃燒效率和經濟性,有人在渦扇發動機的基礎上進一步改進,用一個螺旋槳代替了原有的風扇,這就成了“渦輪螺旋槳發動機”,簡稱“渦槳發動機”。


軍史吐槽君

三種發動機的用途不同,當然也是優勢各有不同了。

圖為我國的渦噴13發動機。



我們先說渦噴發動機,他是三者中結構最簡單的,也是這三者的原型,可以以渦噴為基礎發展出以上各型發動機。渦噴發動機最大優點是效率高,變速快,燃油效率很高,動力非常直接,廣泛用於過去的第二代戰鬥機,開啟了一個高空高速戰鬥機的時代,對於世界航空史有著很大的影響,但是他能耗高,沒有其餘降耗手段,導致使用渦噴發動機的飛機需要攜帶大量燃油。

圖為我國的渦扇10A發動機,可見其比渦噴發動機多了外涵道,發動機更加平直和粗壯。


渦扇發動機是在渦噴發動機外部加了一個外涵道,這樣增加了空氣的流量,也使得發動機有了其他的動力來源,這樣內外涵道都可以提供部分推力,以內涵道為主,這樣的發動機相比於渦噴發動機更加省油,增大了飛機的飛行半徑。用於戰鬥機的是低涵道比渦扇發動機,這樣的發動機可以結合渦噴動力直接和渦扇降低能耗的雙重優點,而客機運輸機使用的是大涵道比發動機,也就是外涵道比較大的渦扇發動機,這樣的發動機能耗極低,可以利用外涵道解決更多的推力,內涵道也不設置燃燒室,這樣提高了客機飛行的平穩性和安全性。

圖為一個渦槳發動機,可見其在渦噴發動機上增加了一個槳葉,將動力的輸出變為槳葉,這樣更加適合較大的飛機使用。


渦槳發動機則是一種螺旋槳式的發動機,但是產生功率的並不是老式的星形發動機或者其他什麼發動機,而是燃氣渦輪發動機,所以成為了渦槳發動機,這種發動機最大好處是可以用於需要使用螺旋槳槳葉的飛機,但是能提供遠高於普通星形發動機的功率,增大其起飛重量,一般用於大型化的飛機。


海事先鋒

渦噴,渦扇,渦槳發動機都可以說是渦輪噴氣式發動捫的分支,這三種發動機擁有各自不一樣的優點和缺點。比如說渦噴發動機的高速性能好,渦扇的推力大,渦槳的省油,總的來說各有各的缺點。

首先說渦噴發動機,主要由進氣道,壓氣機,燃燒室,渦輪,尾噴管組成,渦噴發動機最大的缺點就是費油,但是優點是高空性能突出,可以在2萬米高空之上依然發揮90%的推進效率,像在二代上使用的主要為渦噴發動機,像F4戰機上使用的J79渦噴發動機,米格25使用的R15B發動機更是讓米格25飛出三萬米高空三萬馬赫的速度。像注重高空性能的二代機如殲八依然使用渦噴發動機。





渦扇發動機就是因為渦噴發動機的耗油而產生的改進型,就是在壓氣機前方加了一個風扇,形成了一個涵道比,提高了對燃油的使用效率,但這樣也造成其高空性能不好,但是省油和靜音性使其在民航客機上大量使用,渦扇發動機分為大涵道比發動機,小涵道比發動機。




其中大涵道比發動機主要由民航客機使用,小涵道發動機由三代戰鬥中使用。目前最大涵道比的發動機已經做到涵道比為11,為GE90發動機,而小涵道比發動機在戰鬥機上使用,但其涵道比為0.5-0.8,而F22使用的發動機F119的涵道比為0.25,所以有人說F119發動機就是個渦噴發動機,這是F119發動機為了良好的發動機高空性能做的妥協。


渦槳發動機屬於渦噴發動機的別一個技術路線,在其燃燒室前加了一個螺旋槳,形成了一個外涵道,優點就是省油,比渦扇還省油至少30%,渦槳發動機發展的不如渦扇,但是其涵道比輕鬆可以做出20以上的涵道比,渦扇經過多年發展也只能做到11的涵道比,但渦槳發動機的最大時速才800公里,巡航速度500多公里,速度慢,而且其噪音大使其在民航發動機得不到主流的使用。主要在小型介公務機,中型運輸機如C130,運8等飛機上使用。



未來使用的發動機將是組合發動機,像sR71上使用的就是渦噴與超燃衝壓發動機,渦噴發動機的極限是三萬米高空,如果未來要飛更高只能採用超燃衝亞發動機。而美國未來的五代機將使用變循環發動機,可以以渦噴和渦扇兩種工作方式運行,未來如果要進入大氣層飛行可能還要使用超燃衝壓發動機,如果未來我們依然使用石油做能源,我想渦輪發動機還會一直使用。



GE發粉

都是帶“渦”的發動機。帶渦就是利用燃氣膨脹動力進行進氣壓縮循環的發動機。

渦噴,現在已經基本淘汰了。它的優點只能是相對活塞發動機而言。

渦扇與渦槳,都是把一部分經初級壓縮氣體直接推出以獲得動力的。所不同的是,渦扇的部分動力還是來自燃燒後氣體膨脹加速的反作用力,而渦槳的動力則全部來自於渦輪所攔截下來的燃燒氣體膨脹動能。

渦槳,在製造空氣浮力上有最大的節能優勢。

渦扇,在製造物體位移上有最大的節能優勢。

好想為國家設計發動機嘔……


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