航空发动机：机械原来可以如此之美

给未来定一个小目标

航空发动机（aero-engine）为航空器提供飞行所需动力的发动机。主要有三种类型：活塞式航空发动机，燃气涡轮发动机，冲压发动机。燃气涡轮发动机应用最广，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、桨扇发动机等。

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活塞发动机




▲星型发动机示意图，在其他更先进的航空发动机出现之前，大型飞机的发动机常采用星型设计。




▲星型发动机属于活塞式发动机的一种，早在1903年，星型发动机就用在了飞机上

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涡轮喷气发动机



▲涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，其历史也很悠久，1937年，世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了




▲从大的方面看，涡喷发动机由5个结构组成

空气从进气道进入发动机后，首先被高速运转的压气机压缩，产生高压致密空气以提供大量氧气，燃烧室喷油燃烧，向后冲击涡轮机，而涡轮机又带动前面的的压气机，燃气流从喷口喷出产生推力。

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涡轮风扇发动机




▲涡轮风扇发动机简称涡扇发动机

很容易就能发现，涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道，专业上叫做“涵道”，而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说，涡喷发动机是单涵道发动机，而涡扇是双涵道发动机。



▲发动机在运转时，外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比

规律是，涵道比越大越省油，经济性越好，高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效，所以它广泛地运用于客机、运输机等。




▲高涵道比的发动机，主要推力不是来自于向后喷出的高温燃气，而是来自于外涵道高速向后喷出的空气


现代战斗机也大多采用涡扇发动机，只是，为了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的发动机。




▲美国F22猛禽战斗机使用的涡扇发动机，涵道比很低，只有0.3：1

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涡浆发动机




▲涡轮螺旋桨喷气发动机，简称涡桨发动机

涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器，并带动外部的螺旋桨。




▲中国自行设计研制的水陆两栖飞机蛟龙-600，采用国产WJ-6涡桨发动机

目前，蛟龙-600是世界上最大的水陆两用飞机，于2016年7月23日总装下线。

涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外，俄罗斯的图-95战略轰炸蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机，让其达到925公里每小时的高速，接近音速。




▲俄罗斯的图-95战略轰炸机




▲每一个NK-12MV型涡桨发动机上有8个叶片，前后叶片采取同轴反转的模式




▲同轴反转示意图

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桨扇发动机

涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机，但它也不是尽善尽美，原因之一是，涡桨发动机上多了一个减速器，也就是变速齿轮。

变速齿轮的存在一是增加了发动机重量，二是多少会带来一些功率上的损耗。

为此，有的国家研制一种不需要变速齿轮的发动机，它就是桨扇发动机。




▲安-70运输机上的D-27浆扇发动机

由于和涡轮之间没有减速器，桨扇的螺旋桨转速非常高，带来的优点是燃料效率进一步提高，而缺点是噪音大，难以运用于追求舒适性的客机上。目前，只有安-70运输机使用浆扇发动机。


▲“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发，于1994年12月6日首飞

“安-70”的发动机，其叶片为前置，还有另一种桨扇发动机，其叶片为后置，这就是通用电气早些年进行实验的发动机GE36。



▲GE36桨扇发动机




▲GE36桨扇发动机示意图



▲实验中的GE36，表现出了非常低的燃料消耗，但同样还是因为噪音大的问题，它没有被使用在任何飞机上

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涡轴发动机

涡轮轴发动机简称涡轴发动机，顾名思义，它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用




▲涡轴发动机并非如此简单，但您可以借此理解其本质




▲ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机

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冲压发动机

无论是上文提到的涡喷还是涡扇发动机，它们的前部都有一个“压气机”，这可是个大块头，要是能把它去掉就太好了。问题是，没有了压气机，怎么压缩空气？

飞行器飞得越快，迎面而来的空气就越快，当快到几倍音速时，空气自然就得到了压缩。高压空气进入燃烧室，混入燃油，剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。




▲图中的（a）代表传统的涡喷发动机，其结构很复杂
而（b）代表冲压发动机；（c）表示超燃冲压发动机

冲压发动机一般用在导弹和目前还在试验阶段的高超音速飞行器上。
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