涡喷、涡扇和涡桨发动机有什么区别?

斌斌有礼86597842


自二战后飞机开始进入喷气时代后,航空发动机由于使用的用途不一样衍生出了很多不同类型的航空发动机,包括有现在我们乘坐的客机使用的涡扇发动机和国产运9战术运输机使用的涡桨发动机,直升机使用的涡轴发动机和早期国产歼5采用的涡喷-5涡喷发动机,以及曾经在乌克兰研制的安70军用运输机上使用的D27桨扇发动机。这些发动机虽然使用途径不一样,但是其内在核心机都是一样的,也可以说用一款性能优良的核心机,通过采用不同的输出方式就可以衍生出上面这几款不同飞行器所采用的发动机。

涡喷发动机出现的最早,是所有喷气式发动机的基础,简单来说就是发动机前端的压气机将空气压缩送入后端的燃烧室内与燃油混合后,产生高温高压燃气经发动机尾喷口喷出,推动战斗机前进飞行。涡喷发动机有着结构简单的优点,但是缺点也很明显,就是油耗太高。


在涡喷发动机机身外套一个外涵道,再在最前面装一个尺寸巨大的风扇就是涡扇发动机,既有燃烧室喷气产生的推力也有前端风扇产生的推力,而且外涵道流过的空气还能对内涵道进行冷却。涡扇发动机相比涡喷发动机简单来说就是在涡喷发动机外面加了个罩子装了个风扇,如果这个风扇的尺寸和内部的涡喷发动机直径比值就称之为涵道比,涵道比越大发动机就越省油。但是涡扇发动机虽然相比涡喷发动机推力更大和油耗更低,但是由于涡扇发动机的前端直径较大,所以其高速飞行阻力较大。举个简单的例子,比如前苏联研制的米格25战斗机装备R15涡喷发动机后,虽然其加力推力只有104千牛,但是米格25最大飞行速度可以达到3.2马赫;再比如美国的F22战斗机采用的是F119涡扇发动机,虽然其加力推力高达140千牛,但是F22战机的最大飞行速度只有2.25马赫。虽然涡扇发动机相比涡喷发动机经济性更好,但是高速性不佳也是事实。



现在涡喷发动机基本已经退出了市场,现在不管是战斗机发动机还是客机使用的发动机都是涡扇发动机,只不过客机使用的涡扇发动机为了更大的推力和更高的经济性涵道比更大,所以客机的最大飞行速度基本上都是高亚音速,曾经出现的协和号超音速客机使用的发动机虽然是涡扇发动机,但是其涵道比和战斗机都差不多,为了高速性只能采用涵道比较小的设计。所以在涡扇发动机上分支出了大小涵道比不一样的发动机,涵道比较大的虽然推力更大,经济性更高但是高速性不佳,所以只能用于那些对高速性不太看重但是看中推力大小和经济性的民航客、货机或者军用运输机;涵道比较小的虽然相对比推力较小,经济性不是很高,但是迎面阻力小高速飞行性能好,所以被用于对飞行速度有要求的战斗机。

如果在涡喷发动机前端装一套动力轴连接着燃烧室内的涡轮盘,核心机产生的高温燃气不是经过尾喷口排出而是推动涡轮盘做功,这样的发动机前端装上螺旋桨就是涡桨发动机,涡桨发动机相比涡扇发动机的低速飞行性能更佳,也是现在所有喷气发动机中油耗最低的,所以被用于对低速飞行性能有要求的战术运输机或者控制成本使用涡桨动力的客机。涡扇发动机虽然也可以用于战术运输机,但是由于战术运输机对飞机的低速空投速度有要求,采用涡扇发动机如果飞机速度太低,飞机有可能会失速坠毁。但是涡桨发动机最大的缺点就是由于螺旋桨直径较大飞行速度不高,一般只有600--700km/h。当然在涡桨发动机中还有个另类——前苏联研制的图95轰炸机采用的NK-12涡桨发动机,这种涡桨发动机和常见的涡桨发动机有所不同的是,常规的涡桨发动机全部推力来自螺旋桨,而NK-12发动机在低速飞行时动力1/3来自前端的对转螺旋桨,2/3来自后部的发动机喷气,在高速飞行时,前端螺旋桨会顺桨(无动力),此时发动机转变为涡喷发动机,这种很独特的设计既让图95战略轰炸机的最高飞行速度达到了925km/h,已经和普通的涡扇动力的客机飞行速度差不多,但是却更经济油耗更低。
而且这台发动机不光装配在图95战略轰炸机上,世界上最大的安22军用螺旋桨运输机、世界上最大的欧洲野牛级气垫登陆船采用的都是NK12发动机。
如果将涡桨发动机的动力输出轴连接到直升机的主减速器上,动力经过减速后驱动螺旋桨旋转,就是直升机用的涡轴发动机。但是涡桨发动机和涡轴发动机还是稍有不同的,因为直升机飞行速度比较低,所以涡轴发动机是处于比较低的空速状态下运转,那进气道、压气机等都要做空气流场匹配,以便让发动机处在正常工作范围内。另外涡轴发动机的压缩比和转速都没有涡桨高,但是扭矩更大。

桨扇发动机是一种有着涡桨发动机低油耗和涡扇发动机大推力的混合发动机,简单来说可以把我们经常乘坐的客机使用的大涵道比涡扇发动机外面的罩子去掉就是桨扇发动机,所以也被称为无涵道发动机。因为涡桨发动机的桨叶如果转速过高会遇到音障而颤震导致推进效率降低,所以采用涡桨动力的飞机最大飞行速度不高也是这个原因。而涡扇发动机由于采用的是跨音速桨叶,所以可以转速更高,当然速度也就更高了。桨扇发动机虽然和涡桨发动机一样推力来自桨叶,经济性比涡桨差不多,但是速度比涡桨发动机更快。而推力则和涡扇差不多,但是经济性却比涡扇更好。



桨扇发动机虽然看起来很完美,推力大、速度快、油耗低,但是其安全性和噪音问题是限制其被广泛应用的根本原因,由于其高速旋转时,转速又很高,所以桨叶产生的噪音和震动比较大,再加之其桨叶处于开放状态,如果桨叶在高速旋转时发生断裂会直接插进机身造成致命的安全问题。所以乌克兰的D27发动机虽然看起来完美,但是却不实用,这也是美法相继放弃桨扇发动机的原因所在。




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