详解航空涡轮发动机-卷5

涡喷/涡扇/涡桨

简单地说，从外形上看，就像搭积木一样，把压气机、燃烧室和涡轮这三大核心部件装在一根管子（术语叫做“涵道”）里面，后面再加上加力燃烧室、喷管，就是一台标准的涡轮喷气发动机，简称涡喷。在涡喷的前端加上直径较大的螺旋桨，就是涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨。将涡桨的螺旋桨外边套上一个管子（外涵道，原来的那根管子就叫内涵道），就成了涡轮风扇发动机，简称涡扇。当然，上边说的只是为了便于理解而大大简化的定义，而实际上远远没有那么简单，特别是从涡喷到涡扇的这一步。

涡喷、涡扇和涡桨的主要区别在于发动机的推力组成不同。

涡喷最简单，根据牛顿第三定律——作用力等于反作用力，涡喷发动机把燃烧后的高温高压气流以很高的速度排出喷管，相应地获得一个向前的推力。涡扇和涡桨就复杂一点了，其推力组成除了喷管排气的推力，还要加上前面风扇或螺旋桨向后吹风产生的拉力。

更详细地说起来，就不能不提到我们平常所说的“涡喷费油，涡扇次之，涡桨省油”。为什么这么说呢？如前所述，涡喷发动机的推力是由喷管排气产生的，但是排出的这股气流还有很高的速度、温度和压力。当气流喷出喷管后，其中残余的热能、动能和压力能就不能对发动机总推力有任何贡献，所以浪费了燃油，这种浪费是十分惊人的。涡喷发动机的优点在于：一方面，由于其迎风面积小，故总体阻力较小，雷达反射面积也相应减少，适合应用于主要在地面引导下遂行国土防空任务的高空高速截击机上。另一方面，随着超视距空战的发展，对战斗机高速巡航性能的重视又有所回升，而阻力较小的涡喷飞机可以较容易地实现超音速巡航。

涡扇发动机则不同。设计师们在涡扇发动机上采取了几点措施，有效地利用了排气中的残余能量。首先，在发动机前部设置风扇，利用风扇排气产生推力。这个风扇需要由后边的涡轮驱动，当燃气冲击涡轮，驱动前部风扇的时候，由于其对涡轮做功，气流的温度、速度和压力都有所下降，这就降低了排气的能量损失。其次，在军用涡扇发动机上，外涵道来流（风扇排气）在加力燃烧室与高温燃气混合，被其加热、加速、增压，混合后排气的总体温度、速度和压力进一步下降，但此时的总排气质量上升，大幅度增加了总推力。在目前，只要设计上需要，涡喷发动机能达到的技术指标，涡扇发动机几乎都能达到，由于耗油率显著降低，在航程上又具有涡喷发动机无法比拟的巨大优势，所以当今世界上的先进战斗机均采用小涵道比的大推力涡扇发动机。

涡桨发动机的经济性更好。在涡桨发动机的推力构成中，发动机排气产生的推力微乎其微，甚至不到总推力的10％，燃烧室来的燃气能量几乎全部用来驱动前部的压气机和大直径螺旋桨。于是，总体排气的温度、压力都很低，甚至同周围环境中的大气的温度压力区别不大。同涡喷、涡扇相比，排气速度也大幅下降，总排气质量进一步提高。于是，涡桨发动机最省油。但是涡桨为什么没有取代涡扇，成为主流选择呢？这是因为涡桨发动机存在难以弥补的先天缺陷：飞行速度不能太高，不可能超过音速。了解空气动力学的朋友都知道，任何飞行器在接近音速的时候会遇到一个巨大的难题——音障。当使用涡桨发动机的飞机时速达到700～900千米时，由于螺旋桨的直径较大，桨尖的线速度就会接近甚至超过音速，于是出现巨大的噪音、阻力和振动，甚至会导致发动机空中解体。音障的问题可以通过使用大后掠角桨叶的方法得到部分缓解，但无法最终解决。同时，由于涡桨发动机的巨大迎风面积，相应的阻力也十分巨大。因此，涡桨发动机目前只在对速度和机动性要求不高的运输机和轰炸机上采用。

结语

我国的陆海空机械化兵器大多都有“心脏病”，不论是飞机，坦克装甲车辆还是舰艇，动力装置都不尽如人意。武器平台受到重视了，动力装置往往容易受到忽视。再加上常规动力在国际上大多都能买到，虽然国外不会卖给我们最先进的，但是稍微落后的系统都还能用，所以不容易下自行研制的决心。搞动力比搞平台难，动力装置在高温、高压、高转数、高负荷等严酷条件下工作，外形又十分复杂，相互之间干扰大，试验花费的资金多，时间长，要建立许多特殊的实验设备。所以动力装置是资金密集、技术密集、风险密集的一个产业，搞得不好就会使企业濒临倒闭甚至破产。

航空涡轮发动机的研制是一个系统工程，涉及到为数极多的学科和专业，诸如空气动力学，流体力学，材料化学，机械加工，冶金工程，等等。它的研制需要雄厚的资金后盾，先进的基础学科研究以及大量经验教训的积累，和强大的综合国力、正确的决策导向以及国家的全力支持也是分不开的。先进的发动机作为军用飞机的强劲心脏，能使军用飞机的战斗力得到成倍增长。航空涡轮发动机工业还能产生“溢出”效应，其派生出的舰用、车用、民用燃气轮机可以成为舰艇和坦克装甲车辆的优秀动力装置，以及用于发电、热联供、地面输气加压站和核生化洗消等多个方面。因此，拥有发达而独立自主的航空涡轮发动机工业不仅是一个国家强大的体现，更是其叱咤万里长空、布国威于四方，有效遏制一切分裂图谋的坚实物质基础。

涡喷发动机原理

涡扇发动机原理

RD-530涡桨发动机

涡喷发动机

涡扇发动机