渦噴、渦扇和渦槳發動機有什麼區別?

斌斌有禮86597842


自二戰後飛機開始進入噴氣時代後,航空發動機由於使用的用途不一樣衍生出了很多不同類型的航空發動機,包括有現在我們乘坐的客機使用的渦扇發動機和國產運9戰術運輸機使用的渦槳發動機,直升機使用的渦軸發動機和早期國產殲5採用的渦噴-5渦噴發動機,以及曾經在烏克蘭研製的安70軍用運輸機上使用的D27槳扇發動機。這些發動機雖然使用途徑不一樣,但是其內在核心機都是一樣的,也可以說用一款性能優良的核心機,通過採用不同的輸出方式就可以衍生出上面這幾款不同飛行器所採用的發動機。

渦噴發動機出現的最早,是所有噴氣式發動機的基礎,簡單來說就是發動機前端的壓氣機將空氣壓縮送入後端的燃燒室內與燃油混合後,產生高溫高壓燃氣經發動機尾噴口噴出,推動戰鬥機前進飛行。渦噴發動機有著結構簡單的優點,但是缺點也很明顯,就是油耗太高。


在渦噴發動機機身外套一個外涵道,再在最前面裝一個尺寸巨大的風扇就是渦扇發動機,既有燃燒室噴氣產生的推力也有前端風扇產生的推力,而且外涵道流過的空氣還能對內涵道進行冷卻。渦扇發動機相比渦噴發動機簡單來說就是在渦噴發動機外面加了個罩子裝了個風扇,如果這個風扇的尺寸和內部的渦噴發動機直徑比值就稱之為涵道比,涵道比越大發動機就越省油。但是渦扇發動機雖然相比渦噴發動機推力更大和油耗更低,但是由於渦扇發動機的前端直徑較大,所以其高速飛行阻力較大。舉個簡單的例子,比如前蘇聯研製的米格25戰鬥機裝備R15渦噴發動機後,雖然其加力推力只有104千牛,但是米格25最大飛行速度可以達到3.2馬赫;再比如美國的F22戰鬥機採用的是F119渦扇發動機,雖然其加力推力高達140千牛,但是F22戰機的最大飛行速度只有2.25馬赫。雖然渦扇發動機相比渦噴發動機經濟性更好,但是高速性不佳也是事實。



現在渦噴發動機基本已經退出了市場,現在不管是戰鬥機發動機還是客機使用的發動機都是渦扇發動機,只不過客機使用的渦扇發動機為了更大的推力和更高的經濟性涵道比更大,所以客機的最大飛行速度基本上都是高亞音速,曾經出現的協和號超音速客機使用的發動機雖然是渦扇發動機,但是其涵道比和戰鬥機都差不多,為了高速性只能採用涵道比較小的設計。所以在渦扇發動機上分支出了大小涵道比不一樣的發動機,涵道比較大的雖然推力更大,經濟性更高但是高速性不佳,所以只能用於那些對高速性不太看重但是看中推力大小和經濟性的民航客、貨機或者軍用運輸機;涵道比較小的雖然相對比推力較小,經濟性不是很高,但是迎面阻力小高速飛行性能好,所以被用於對飛行速度有要求的戰鬥機。

如果在渦噴發動機前端裝一套動力軸連接著燃燒室內的渦輪盤,核心機產生的高溫燃氣不是經過尾噴口排出而是推動渦輪盤做功,這樣的發動機前端裝上螺旋槳就是渦槳發動機,渦槳發動機相比渦扇發動機的低速飛行性能更佳,也是現在所有噴氣發動機中油耗最低的,所以被用於對低速飛行性能有要求的戰術運輸機或者控制成本使用渦槳動力的客機。渦扇發動機雖然也可以用於戰術運輸機,但是由於戰術運輸機對飛機的低速空投速度有要求,採用渦扇發動機如果飛機速度太低,飛機有可能會失速墜毀。但是渦槳發動機最大的缺點就是由於螺旋槳直徑較大飛行速度不高,一般只有600--700km/h。當然在渦槳發動機中還有個另類——前蘇聯研製的圖95轟炸機採用的NK-12渦槳發動機,這種渦槳發動機和常見的渦槳發動機有所不同的是,常規的渦槳發動機全部推力來自螺旋槳,而NK-12發動機在低速飛行時動力1/3來自前端的對轉螺旋槳,2/3來自後部的發動機噴氣,在高速飛行時,前端螺旋槳會順槳(無動力),此時發動機轉變為渦噴發動機,這種很獨特的設計既讓圖95戰略轟炸機的最高飛行速度達到了925km/h,已經和普通的渦扇動力的客機飛行速度差不多,但是卻更經濟油耗更低。
而且這臺發動機不光裝配在圖95戰略轟炸機上,世界上最大的安22軍用螺旋槳運輸機、世界上最大的歐洲野牛級氣墊登陸船採用的都是NK12發動機。
如果將渦槳發動機的動力輸出軸連接到直升機的主減速器上,動力經過減速後驅動螺旋槳旋轉,就是直升機用的渦軸發動機。但是渦槳發動機和渦軸發動機還是稍有不同的,因為直升機飛行速度比較低,所以渦軸發動機是處於比較低的空速狀態下運轉,那進氣道、壓氣機等都要做空氣流場匹配,以便讓發動機處在正常工作範圍內。另外渦軸發動機的壓縮比和轉速都沒有渦槳高,但是扭矩更大。

槳扇發動機是一種有著渦槳發動機低油耗和渦扇發動機大推力的混合發動機,簡單來說可以把我們經常乘坐的客機使用的大涵道比渦扇發動機外面的罩子去掉就是槳扇發動機,所以也被稱為無涵道發動機。因為渦槳發動機的槳葉如果轉速過高會遇到音障而顫震導致推進效率降低,所以採用渦槳動力的飛機最大飛行速度不高也是這個原因。而渦扇發動機由於採用的是跨音速槳葉,所以可以轉速更高,當然速度也就更高了。槳扇發動機雖然和渦槳發動機一樣推力來自槳葉,經濟性比渦槳差不多,但是速度比渦槳發動機更快。而推力則和渦扇差不多,但是經濟性卻比渦扇更好。



槳扇發動機雖然看起來很完美,推力大、速度快、油耗低,但是其安全性和噪音問題是限制其被廣泛應用的根本原因,由於其高速旋轉時,轉速又很高,所以槳葉產生的噪音和震動比較大,再加之其槳葉處於開放狀態,如果槳葉在高速旋轉時發生斷裂會直接插進機身造成致命的安全問題。所以烏克蘭的D27發動機雖然看起來完美,但是卻不實用,這也是美法相繼放棄槳扇發動機的原因所在。




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