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作者：喬普·丁格曼斯

噴氣發(fā)動機技術(shù)是航空航天工業(yè)最令人驚嘆的奇跡之一。沒有它，我們誰都無法從事這份工作！

無論你這些年來駕駛過、維護過或欣賞過哪種類型的飛機，這些發(fā)動機內(nèi)部的技術(shù)每天都在變得越來越不可思議 ??

制造商們正在不斷突破可能的極限。目前，噴氣發(fā)動機主要分為6 大類。

從普通飛機上的渦輪噴氣發(fā)動機，到未來可能將我們帶入高超音速客運領(lǐng)域的超燃沖壓發(fā)動機。

我們將盡可能保持簡單，詳細介紹所有這些噴氣發(fā)動機的工作原理！??

什么是噴氣發(fā)動機？

噴氣發(fā)動機是飛機上產(chǎn)生推力或動力的部件。在大多數(shù)情況下，它利用牛頓第三定律產(chǎn)生向前的運動。

讓我們回顧一下牛頓第三定律：

所以，如果我們能夠聚集大量的空氣并將其推向身后，它就會推動我們向前或產(chǎn)生動能：作用力 = 反作用力！

那么，我們?nèi)绾尾拍茏尞斀竦娘w機實現(xiàn)這一點呢？

噴氣發(fā)動機采用非常簡單（但難以完善）的原理，該原理包含 4 個步驟：

1）吸入?（盡可能多地收集空氣，以便稍后將其轉(zhuǎn)化為能量）

2）壓縮（壓縮空氣以提高其壓力和溫度）

3）燃燒（將壓縮空氣與燃料混合并點燃，產(chǎn)生巨大的膨脹）

4）排出（讓空氣向后加速通過渦輪以驅(qū)動壓氣機，并產(chǎn)生向前的推力）

為了從宏觀上了解這個過程，我們可以將該過程繪制在壓力-體積圖上。

• A 點是大氣壓下的空氣進入進氣口時的狀態(tài)

• B 點是經(jīng)過壓氣機壓縮后的空氣，在相對恒定的壓力下進入燃燒室被點燃

• C 點是燃燒室中燃燒導致的體積膨脹

• D 點是空氣通過渦輪（驅(qū)動壓氣機，有時也驅(qū)動其他系統(tǒng)）后壓力降低，并排放回到大氣中

這 4 個步驟適用于所有六種主要類型的噴氣發(fā)動機，它們分別是：

那么，目前使用的6 種主要噴氣發(fā)動機是如何完成這 4 個步驟的呢？

渦輪噴氣發(fā)動機如何工作？

渦輪噴氣發(fā)動機被認為是噴氣發(fā)動機中最基本的類型。

對于我們之前討論的四步流程，我們需要：

1. 進氣道（或進氣口）

2. 壓氣機

3. 燃燒室

4. 渦輪

5. 排氣裝置

1. 進氣道

噴氣發(fā)動機經(jīng)由進氣道（或進氣口）使用風扇或壓氣機的前級吸入空氣。對于大型客機，吸入的空氣量每秒可達 1.3 噸以上，具體取決于發(fā)動機的大小！

進氣道的主要作用是為壓氣機提供持續(xù)、平穩(wěn)的空氣供應?？諝獠⒎强偸且浴爸本€”進入進氣道，因此進氣道的目標之一是以正確的角度引導空氣

如果空氣供應不可持續(xù)且速度不夠穩(wěn)定，可能會出現(xiàn)壓氣機失速或其他啟動問題。

2. 壓氣機

壓氣機的目標是：提高進入發(fā)動機的空氣壓力和溫度。這是為了確?？諝膺_到與燃油混合和點火的最佳狀態(tài)。

壓氣機前后壓力差越大，整體效率和推力通常就越高。這被稱為壓比：高壓比 = 高效發(fā)動機！

發(fā)動機制造商每年都在不斷突破，力求將這個比率提高到更高的水平。

這里有兩種主要選擇：離心式壓氣機或軸流式壓氣機。

離心式壓氣機（也稱葉輪）是一個繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的圓盤。葉輪上葉片間的通道是擴張形的，空氣流過時，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對空氣作功，加速空氣的流速，同時提高空氣的壓力。擴壓器位于葉輪的出口，是一個環(huán)形室，裝有一定數(shù)量的整流葉片，葉片間的通道是擴張形的，空氣流過時，速度下降，壓力和溫度升高。如下圖所示：

然而，大多數(shù)渦輪噴氣發(fā)動機的壓氣機都是軸流式壓氣機。這類壓氣機由若干級交替排列的靜止靜子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成。

轉(zhuǎn)子吸入空氣并將其推向下一級壓縮。靜子有兩個主要目標：

1）降低轉(zhuǎn)子增加的氣流速度，以增加壓力

這看起來就像下圖所示，注意每次速度在每級降低時，總壓力都會增加：

2）起到氣流導向的作用，確?？諝庖哉_的攻角沖擊下一級轉(zhuǎn)子。

葉片角度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間存在著微妙的平衡。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對于通過發(fā)動機的氣流速度過低或過高，角度可能過大，從而導致失速，那可就糟了！

3. 燃燒室

燃燒室引入燃油，將其與壓縮空氣混合并點燃。

這會導致溫度和壓力急劇增加，這就是通過發(fā)動機最后階段的燃氣。

將大量燃油與大量空氣混合燃燒可能是一項艱巨的任務。其目的是以某種方式釋放熱量，使空氣膨脹并加速，并在所有運行條件下都能產(chǎn)生均勻加熱的平穩(wěn)氣流。這是下一階段（渦輪）正常工作的必要條件。

燃燒室內(nèi)的溫度可高達2100 °C，這相當驚人！

添加到空氣中的燃油量取決于所需的溫度升高量。只有大約20%的壓縮空氣從入口段進入燃燒室。氣流通過預旋片進入燃燒室，預旋片可優(yōu)化氣流以利于燃燒。

其余80%的氣流在外殼和內(nèi)殼之間流動。這種設計主要是為了冷卻，但部分氣流也會在稍后階段混合進去。這樣做的目的是穩(wěn)定氣流，并保護燃燒室內(nèi)的火焰。

你有沒有見過飛機起飛時拖著長長的煙跡？這是燃燒室內(nèi)燃燒不充分造成的，對燃油效率和整體污染都有著巨大的影響。正因如此，整個過程都受到發(fā)動機控制單元的持續(xù)監(jiān)控和控制。

4. 渦輪

渦輪的主要目的是從燃燒室流出的高溫膨脹氣流中提取足夠的動能，并將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能量。

膨脹后的熱空氣流經(jīng)一系列渦輪，這些渦輪與壓氣機相連。如果有多級渦輪，其余渦輪可能會連接到其他系統(tǒng)，例如螺旋槳、旋翼系統(tǒng)或其他子系統(tǒng)。

那么，我們?nèi)绾斡行У貙峥諝獾膭幽苻D(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能呢？

燃燒室噴出的高溫氣體被迫進入渦輪。氣流通過導向葉片引導通過渦輪葉片。

這些導向葉片確保氣流沖擊渦輪葉片的角度是最佳的。由于渦輪葉片的收斂形狀，其葉尖速度可高達1400 節(jié)（2593 公里/小時）！

那么它們不會突破音障嗎？

是的！如果溫度是 15°C，確實會突破。但是溫度超過 1000°C 時，當?shù)匾羲?/strong>超過 1400 節(jié)，所以這方面我們不用擔心！

渦輪各級產(chǎn)生的功率取決于氣流速度。

氣流速度越快 = 功率越大??

氣流速度越慢 = 功率越小??

因此，推力增加的順序?qū)⑹牵?/p>

飛行員要求更大動力 ?? 增加燃油流量 ?? 燃燒室產(chǎn)生更多動能 ?? 渦輪轉(zhuǎn)速更高 ?? 壓氣機轉(zhuǎn)速更高 ?? 氣流進一步增加，等等。

也正是由于這一系列步驟，噴氣發(fā)動機啟動時才會出現(xiàn)多種失敗情況。

5. 排氣裝置

排氣裝置通常采用收縮形管道結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以進一步加速氣流，同時降低靜壓。氣流到達喉部（面積最小的部分）后，通常會進入擴張形管道。

由于動量的積累，會進一步提高氣流速度，但同時也會增加壓力（我們稍后會解釋原因）。這盡可能增加了發(fā)動機的推力。

渦輪噴氣發(fā)動機的推力來自排氣的速度和壓力。而對于渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機來說，排氣產(chǎn)生的推力卻很小。這是因為大部分能量都被渦輪吸收，用于驅(qū)動螺旋槳或旋翼系統(tǒng)。

以渦輪噴氣發(fā)動機為例，其排氣速度僅在低推力設置下為亞音速。在大多數(shù)情況下，氣流速度可以達到音速（取決于氣體溫度?。?/p>

當這種情況發(fā)生時，噴口就被認為是“達到臨界狀態(tài)”。這意味著除非溫度升高，否則速度無法進一步提高。這是因為溫度升高也會提高局部聲速，如以下公式所示（T 為開爾文溫度）：

噴口尺寸至關(guān)重要，其設計需經(jīng)過精心考量，以實現(xiàn)壓力、溫度和推力之間的最佳平衡。這也是噴氣發(fā)動機通常難以達到3 馬赫以上速度的原因之一。

如果噴口過小，這些數(shù)值會偏高，但發(fā)動機可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。另一方面，如果噴口過大，則獲得的數(shù)值會偏低（因此推力不足）。

渦輪風扇發(fā)動機如何工作？

渦輪噴氣發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機主要有兩個區(qū)別。在渦輪風扇發(fā)動機上，你首先會看到的是前面更大的風扇。

之所以這里的進氣風扇更大，是為了給一個叫做“旁通管道”的裝置留出空間。旁通管道可以讓旁通空氣繞過發(fā)動機的核心部件，而完全不會進入燃燒室！

這可以從兩方面改進發(fā)動機：

1）流經(jīng)發(fā)動機的氣流量增加，從而增加總推力；

2）旁通氣流增加了推力，但無需燃燒，從而提高了發(fā)動機的整體效率。

通常情況下，風扇是低壓壓氣機的一部分，但也可能與壓氣機完全分離。在這種情況下，發(fā)動機通常由多個獨立的渦輪組成，每個渦輪都連接到各自的壓氣機或風扇。這被稱為雙轉(zhuǎn)子（有時是三轉(zhuǎn)子）發(fā)動機。

由于加裝風扇后整個發(fā)動機的燃油流量變化很小，因此與渦噴發(fā)動機相比，渦扇發(fā)動機在幾乎相同燃油量的情況下產(chǎn)生的推力要大得多。

這就是渦扇發(fā)動機非常省油的原因，也是眾多航空公司選擇使用它們的原因。事實上，高涵道比渦扇發(fā)動機的燃油效率幾乎與渦槳發(fā)動機一樣高，但飛行速度卻高得多！

進氣風扇比普通螺旋槳能以更高的轉(zhuǎn)速高效運轉(zhuǎn)。這就是為什么高速飛機通常采用渦扇發(fā)動機，而低速飛機則使用螺旋槳（通常是渦輪螺旋槳）。

渦扇發(fā)動機有兩股氣流要排放到大氣中：一股是較冷的旁通氣流，另一股是流經(jīng)發(fā)動機核心的熱氣流。

在旁通比（或涵道比）較低的發(fā)動機中，兩股氣流通過混合單元混合。這樣，旁通空氣就能流入渦輪排氣流中，從而使兩股氣流充分混合。

然而，對于旁通比高的發(fā)動機，兩股氣流通常是分開排出的。

你經(jīng)常會看到渦輪風扇的背面有一些看起來像小尖刺的東西。這些叫做V形鋸齒邊（Chevrons）：

如今，在更現(xiàn)代的發(fā)動機中添加這些裝置的原因是為了降低噪音。發(fā)動機核心產(chǎn)生的高速高壓氣流必須與速度慢得多且壓力低得多的空氣混合，這正是噴氣發(fā)動機噪音如此之大的原因之一！

它們有助于所謂的空氣動力混合。它們有助于減少湍流氣流和小的局部激波，而這些都會產(chǎn)生噪音。其結(jié)果是氣流更加平穩(wěn)，混合方式也更加順暢，因此惱人的噪音也隨之減少！

渦輪螺旋槳發(fā)動機如何工作？

渦輪螺旋槳發(fā)動機是一種噴氣發(fā)動機，其中低壓渦輪（這里也稱為動力渦輪）直接連接到螺旋槳，從而產(chǎn)生我們所需的推力。

渦槳發(fā)動機非常適合那些需要兼顧較低速度和燃油效率的飛機。與渦噴發(fā)動機相比，渦槳發(fā)動機在較低速度下更容易產(chǎn)生大推力。這使得使用渦槳發(fā)動機的飛機更適合在較短的跑道上起降。

渦槳飛機真正能勝過渦噴式飛機的速度范圍大約在400 節(jié)（740 公里/小時）或以下。超過這個速度范圍，它們的效率就會大幅下降，正如我們上面所展示的。

原因之一是螺旋槳在這些速度下由于螺旋槳槳尖的高速旋轉(zhuǎn)導致的氣流擾動。因此，通常只有像 C-130 “大力神”這樣的低速貨機或支線客機才會使用這種類型的發(fā)動機。

渦輪軸發(fā)動機如何工作？

與渦槳發(fā)動機類似，渦輪軸發(fā)動機的低壓渦輪也為另一個系統(tǒng)提供驅(qū)動。在這種情況下，它通過主減速齒輪箱與旋翼系統(tǒng)相連。

大多數(shù)直升機都采用自由動力渦輪來驅(qū)動旋翼系統(tǒng)。這是為了使旋翼系統(tǒng)獨立于壓氣機的旋轉(zhuǎn)。

這確保了在諸如自轉(zhuǎn)等機動過程中，旋翼慣性能夠保持槳葉的旋轉(zhuǎn)速度恒定。發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化或發(fā)動機故障對旋翼系統(tǒng)的影響也因此較小。

來自動力渦輪的軸通常連接到主減速齒輪箱，該齒輪箱使用減速齒輪系將發(fā)動機輸出軸相對較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為主旋翼系統(tǒng)的較低轉(zhuǎn)速。

沖壓發(fā)動機如何工作？

沖壓發(fā)動機與傳統(tǒng)的渦輪噴氣發(fā)動機有很多顯著的不同。

與傳統(tǒng)噴氣發(fā)動機一樣，沖壓發(fā)動機仍然依賴于捕獲來流空氣，或者說“沖壓”空氣。然而，這里的主要區(qū)別在于它不需要任何壓氣機或葉片！

沖壓噴氣發(fā)動機的設計是利用飛機的運動通過產(chǎn)生激波的擴壓器來壓縮進入的空氣?？諝馑俣葟某羲俳抵羴喴羲?，從而提高氣流進入燃燒室前的整體壓力。

問題在于，我們需要大量的空氣進入發(fā)動機。事實上，需要的空氣量如此之大，以至于這玩意兒至少要達到 3 馬赫的速度，才能產(chǎn)生任何可用的推力！

SR-71“黑鳥”偵察機通過飛行中切換發(fā)動機解決了這個問題：低速時使用渦輪噴氣發(fā)動機，高速時使用沖壓發(fā)動機。這種發(fā)動機被稱為渦輪沖壓發(fā)動機。要么采用這種發(fā)動機，要么讓飛機從另一架使用傳統(tǒng)噴氣發(fā)動機、飛行速度至少達到 3 馬赫的飛機上彈射出去。

沖壓發(fā)動機的最大工作速度約為 6 馬赫。超過這個速度后，氣流的壓縮效應過于極端，發(fā)動機無法正常工作。

沖壓發(fā)動機的一大優(yōu)勢在于它沒有任何運動部件！想象一下，如果能去掉所有渦輪、壓氣機葉片和旋轉(zhuǎn)部件，那該有多好。這正是沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢所在，但其速度范圍僅限于 3 到 6 馬赫！

超燃沖壓發(fā)動機如何工作？

像沖壓發(fā)動機一樣，超燃沖壓發(fā)動機也依靠進氣段壓縮進入的空氣。主要區(qū)別在于，對于超燃沖壓發(fā)動機而言，氣流在整個發(fā)動機內(nèi)始終保持超音速！

超燃沖壓發(fā)動機使用一種特殊的進氣道，其設計目的是利用激波壓縮流經(jīng)進氣道進入發(fā)動機的空氣。激波本身在進氣道內(nèi)多次反射，隨著氣流進一步進入發(fā)動機，激波周圍的進氣道壓力也隨之增加。

超燃沖壓發(fā)動機的運行速度范圍在 5 馬赫以上，這簡直令人難以置信！目前公開的超燃沖壓發(fā)動機飛機的最快飛行速度記錄是X-43A達到的 9.6 馬赫。然而，理論表明這些發(fā)動機的速度可以遠超 15 馬赫，但這個極限目前尚未確定。

當空氣被壓縮到足夠高的速度后，它會以超音速進入燃燒室。從這里開始，其工作原理與沖壓式噴氣發(fā)動機非常相似，只是速度要高得多！

資源

《噴氣發(fā)動機》，羅爾斯·羅伊斯公司（1986 年）

《噴氣發(fā)動機性能》，Jet-X

NASA 噴氣推進實驗室（https://www.jpl.nasa.gov/）

結(jié)論

噴氣發(fā)動機技術(shù)是人類工程學的一項偉大成就。從渦輪噴氣發(fā)動機到超燃沖壓發(fā)動機，共有六大類，每一種都有其獨特的設計和性能，我們?nèi)栽谔剿魅绾瓮苿诱麄€行業(yè)向前發(fā)展。

下一個未知的領(lǐng)域?qū)⑹歉叱羲倏瓦\航空旅行，這無疑將由諸如超燃沖壓發(fā)動機之類的技術(shù)來實現(xiàn)！

來源：How Does a Jet Engine Work? Understanding the 6 Main Types. By Jop Dingemans. Pilots Who Ask Why, April 21 2024. 略有修改，非原文配圖及視頻來源于網(wǎng)絡。

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