噴氣發動機如何工作？了解 6 種主要類型

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作者：喬普·丁格曼斯

噴氣發動機技術是航空航天工業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，這些發動機內部的技術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，噴氣發動機主要分為6 大類。

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

我們將盡可能保持簡單，詳細介紹所有這些噴氣發動機的工作原理！??

什么是噴氣發動機？

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

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生動能：作用力 = 反作用力！

那么，我們如何才能讓當今的飛機實現這一點呢？

噴氣發動機采用非常簡單（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，產生巨大的膨脹）

4）排出（讓空氣向后加速通過渦輪以驅動壓氣機，并產生向前的推力）

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

• B 點是經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（驅動壓氣機，有時也驅動其他系統）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動機，它們分別是：

那么，目前使用的6 種主要噴氣發動機是如何完成這 4 個步驟的呢？

渦輪噴氣發動機如何工作？

渦輪噴氣發動機被認為是噴氣發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

噴氣發動機經由進氣道（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，具體取決于發動機的大小！

進氣道的主要作用是為壓氣機提供持續、平穩的空氣供應。空氣并非總是以“直線”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且速度不夠穩定，可能會出現壓氣機失速或其他啟動問題。

2. 壓氣機

壓氣機的目標是：提高進入發動機的空氣壓力和溫度。這是為了確保空氣達到與燃油混合和點火的最佳狀態。

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 = 高效發動機！

發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，是一個環形室，裝有一定數量的整流葉片，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，大多數渦輪噴氣發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轉子組成。

轉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，確保空氣以正確的攻角沖擊下一級轉子。

葉片角度和發動機轉速之間存在著微妙的平衡。如果轉子轉速相對于通過發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生均勻加熱的平穩氣流。這是下一階段（渦輪）正常工作的必要條件。

燃燒室內的溫度可高達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，預旋片可優化氣流以利于燃燒。

其余80%的氣流在外殼和內殼之間流動。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。這樣做的目的是穩定氣流，并保護燃燒室內的火焰。

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，整個過程都受到發動機控制單元的持續監控和控制。

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，并將其轉化為旋轉能量。

膨脹后的熱空氣流經一系列渦輪，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，例如螺旋槳、旋翼系統或其他子系統。

那么，我們如何有效地將熱空氣的動能轉化為旋轉能呢？

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（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，當地音速超過 1400 節，所以這方面我們不用擔心！

渦輪各級產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，推力增加的順序將是：

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

也正是由于這一系列步驟，噴氣發動機啟動時才會出現多種失敗情況。

5. 排氣裝置

排氣裝置通常采用收縮形管道結構。這種結構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）。這盡可能增加了發動機的推力。

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

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

當這種情況發生時，噴口就被認為是“達到臨界狀態”。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）：

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

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

渦輪風扇發動機如何工作？

渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機主要有兩個區別。在渦輪風扇發動機上，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動機：

1）流經發動機的氣流量增加，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。這被稱為雙轉子（有時是三轉子）發動機。

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

這就是渦扇發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，高涵道比渦扇發動機的燃油效率幾乎與渦槳發動機一樣高，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速高效運轉。這就是為什么高速飛機通常采用渦扇發動機，而低速飛機則使用螺旋槳（通常是渦輪螺旋槳）。

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

在旁通比（或涵道比）較低的發動機中，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，對于旁通比高的發動機，兩股氣流通常是分開排出的。

你經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，在更現代的發動機中添加這些裝置的原因是為了降低噪音。發動機核心產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，而這些都會產生噪音。其結果是氣流更加平穩，混合方式也更加順暢，因此惱人的噪音也隨之減少！

渦輪螺旋槳發動機如何工作？

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

渦槳發動機非常適合那些需要兼顧較低速度和燃油效率的飛機。與渦噴發動機相比，渦槳發動機在較低速度下更容易產生大推力。這使得使用渦槳發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（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動機。

渦輪軸發動機如何工作？

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

大多數直升機都采用自由動力渦輪來驅動旋翼系統。這是為了使旋翼系統獨立于壓氣機的旋轉。

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

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動機輸出軸相對較高的轉速轉換為主旋翼系統的較低轉速。

沖壓發動機如何工作？

沖壓發動機與傳統的渦輪噴氣發動機有很多顯著的不同。

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

沖壓噴氣發動機的設計是利用飛機的運動通過產生激波的擴壓器來壓縮進入的空氣。空氣速度從超音速降至亞音速，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，才能產生任何可用的推力！

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

沖壓發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，發動機無法正常工作。

沖壓發動機的一大優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、壓氣機葉片和旋轉部件，那該有多好。這正是沖壓發動機的優勢所在，但其速度范圍僅限于 3 到 6 馬赫！

超燃沖壓發動機如何工作？

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

超燃沖壓發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進氣道進入發動機的空氣。激波本身在進氣道內多次反射，隨著氣流進一步進入發動機，激波周圍的進氣道壓力也隨之增加。

超燃沖壓發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動機非常相似，只是速度要高得多！

資源

《噴氣發動機》，羅爾斯·羅伊斯公司（1986 年）

《噴氣發動機性能》，Jet-X

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

結論

噴氣發動機技術是人類工程學的一項偉大成就。從渦輪噴氣發動機到超燃沖壓發動機，共有六大類，每一種都有其獨特的設計和性能，我們仍在探索如何推動整個行業向前發展。

下一個未知的領域將是高超音速客運航空旅行，這無疑將由諸如超燃沖壓發動機之類的技術來實現！

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絡。

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