航空發動機中，渦噴、渦扇、渦槳發動機各有什麼優缺點，分別裝配在哪些類型的飛機上？

2023-04-01 22:19:49 2

#科普貼。

題主列舉了三種航空發動機：渦噴、渦扇、渦槳。其實渦輪發動機總共有四類，還有一種是渦軸發動機。

按照航空發動機的發展時間，可以將航空發動機劃分為三個時代。

第一個時代：活塞發動機時代

不管是蒸汽機還是後來的單缸（多缸）柴油機、汽油機，都是活塞發動機。萊特兄弟發明了第一架飛機，所用的引擎就是從汽車上拆下來四缸發動機。其大致的原理圖如下圖所示。

上圖是單缸活塞式發動機原理圖。可以看出，轉子每轉動一周，活塞會「猛衝」一次，轉子輸出動力很不均勻。農用拖拉機坐過吧，突突突的很拉轟。為了緩解這種「一衝一衝」的帶感，後面發展出了多缸發動機，即轉子每轉動一周，會「猛衝」兩次、四次、八次……

這張圖是星型發動機原理圖，轉子每轉動一周，在氣缸的作用下，會「猛衝」八次，受力很均勻。

以上就是最早的航空發動機，用同汽車上一樣的柴油機或者汽油機來帶動螺旋槳轉動，為飛機提供拉力，使機翼產生升力。

活塞式發動機的缺點是：氣缸太重，嚴重影響效率。

第二個時代：渦輪發動機時代（本題的回答）

隨著空軍對於高性能飛機的需求日益增加渦輪發動機是誰發明的，活塞式發動機已經不能滿足高速飛行的需求，於是燃氣渦輪發動機開始成為主流。這也就是題主所問到的。

燃氣渦輪發動機的基本工作原理都相同：把一團氣體壓縮，注入燃油，點燃後，把產生的高溫氣體噴出，獲得推力。其最基本的結構是壓氣機、燃燒室和渦輪。

然而，根據結構的不同，燃氣渦輪發動機分為四種：渦噴、渦扇、渦軸、渦槳。

渦軸發動機是用在直升機上面的。其他的三種，都是用在固定翼飛機上的。

最早出現的是渦槳發動機。渦槳發動機的出現，標誌著航空發動機進入燃氣渦輪時代，其實這時候的飛機仍然是發動機帶動螺旋槳轉動，產生拉力。只不過燃氣渦輪發動機轉速以及功率優於活塞式發動機。

上圖就是渦槳飛機，由於在亞音速條件下，螺旋槳效率還是挺高，所以目前的支線小飛機，私人飛機仍然使用螺旋槳飛機。

由於戰爭需要，飛機應該具有更高的飛行速度，衝破音速。當時由於空氣動力學發展的瓶頸，人們認為，當前限制飛行速度的根本原因在於發動機的功率不夠大，所以各國瘋狂製造更大功率的發動機。然而，隨著功率不斷增加，飛行速度幾乎不再有所提升。而且，在即將到達音速時，飛機開始出現劇烈的震顫，最終飛機或空中解體、或失控墜毀。人們把這種情況成為音障。（註：螺旋槳無法使飛機超音速）

後來，人們意識到，螺旋槳飛機無法超越音速，想要達到音速，就得摒棄螺旋槳。沒有螺旋槳，如何使飛機向前飛行呢？答案是：噴氣。這樣，飛機的動力由螺旋槳提供的「拉力」，變成了噴氣發動機提供的「推力」

此時，渦噴發動機應運而生。

上圖就是渦噴發動機，翻譯一下：compressor是壓氣機，用來把空氣壓縮成高壓氣體。combustion chamber是燃燒室，燃料在這裡進行燃燒，形成高壓氣體。turbine是渦輪，從燃燒室出來的氣體推動渦輪轉動，渦輪轉動帶動最左邊的壓氣機繼續進行壓氣過程。nozzle是噴管，氣體噴出，產生推力。

渦噴發動機最大的優點就是：適航的範圍極其廣泛。無論是低空亞音速飛行，還是高空超音速飛行都能夠勝任。

缺點是：低速飛行費油。

既然渦噴發動機低速飛行時效率低（費油），那就針對渦噴發動機的構造進行一下改造，使其飛行效率提高。改造後的渦噴發動機就是渦扇發動機。

現在來解釋一下，為什麼低速飛行時渦扇效率高，高速飛行時渦噴效率高。下圖可以看出來，渦噴與渦扇的區別在於：渦扇前面加了一個大風扇，這個風扇的作用就像螺旋槳一樣，用來扇風、產生推力。所以，二者的動力來源不一樣。渦噴的動力來源於高溫高壓氣體向後噴出。然而，噴出去的氣體是高溫氣體，蘊含著很多能量，這部分能量卻沒有轉換成動能。渦扇發動機的工作原理是：高壓氣體在燃燒室燃燒以後，形成了高壓高溫氣體，這團氣體的熱能、壓能、動能幾乎全部用於推動渦輪轉動，渦輪帶動前面的風扇轉動。既然大部分能量都給了渦輪，剩下的能量並不多，噴出去也不會浪費很多能量。所以渦扇的動力來源於風扇的推力以及高溫高壓氣體向後噴出。且風扇的推力佔主要動力來源。這樣，渦扇的效率比渦噴要高。

然而，渦扇就跟渦槳差不多，一到超音速後就不行了。而且，頭部截面積很大，速度越高，阻力越大。超音速還得用渦噴。

這張動圖，上半部分是渦扇，下半部分是渦噴。

目前我們能看到的所有不帶螺旋槳的民航客機，掛的都是渦扇發動機。

渦扇發動機最大的特點就是推力大、推進效率高、噪音低、燃油消耗率低，飛機航程遠。

缺點是：迎風面積大，阻力大。尤其在高速飛行時，阻力大的更明顯，所以高速飛行要用渦噴。

第三個時代：衝壓發動機時代

人類的追求永遠都是用最高的效率實現最高的速度。隨著航空的發展，人們開始研發適用於超聲速和高超聲速的飛行器的航空發動機。（超音速指飛行速度1.2-5倍音速，高超音速指比超音速還要快的速度）

前面講到：燃氣渦輪發動機的工作原理是先用壓氣機把一團氣體壓縮成高壓氣體，點燃燃油燃燒，然後噴出氣體獲得推力（一小部分氣體用於推動渦輪轉動，帶動壓氣機繼續壓氣）。現在設想一下，假如，飛行器飛行速度更快了，那麼，進入發動機的氣體是不是直接就變成高壓氣體了？答案是肯定的。因此，我們可以把壓氣機給去掉，這樣，渦輪也沒有存在的必要了。這樣的發動機稱為衝壓發動機。

發動機結構瞬間變得極其簡單，看起來像是在逗我有木有？

衝壓發動機主要應用在超音速飛機、洲際飛彈上面。總之，衝壓發動機適用於巡航速度4馬赫左右的情況。

如果還想進一步提高速度，使之適用於高超音速飛行，那就得在衝壓發動機結構上做適當修改。修改後的發動機為超燃衝壓發動機。與衝壓發動機不同，超燃衝壓發動機多了倆字，「超燃」，是超音速燃燒的簡稱。超燃衝壓發動機的結構如下圖：

可以看出，與衝壓發動機最大的不同在於：進氣道與燃燒室中間多了一個隔離區。由於超燃衝壓發動機中，氣流是直接以超音速進入進氣道的，燃燒室內的輕微的壓力波動都會傳播到進氣道，影響進氣過程，所以燃燒室和進氣道之間增加一段隔離區，用於消除燃燒室的壓力波動對進氣道的影響，匹配處於不同工況下的進氣道與燃燒室。

如果不能理解，我們可以想像一下：我們的胃和喉嚨之間有一段長長的食道，假如沒有食道，胃裡稍微翻騰一下，很容易就嘔吐了。有了食道，最多會打個嗝。燃燒室好比胃，進氣道好比口腔，隔離段好比食道。

超燃衝壓發動機適用於6-25倍音速的飛行條件。

以上只講了構造原理，超燃衝壓發動機只有在很高速度下才能工作渦輪發動機是誰發明的，然而實際過程中，飛行器並不可能一直處於高超音速飛行，飛行器從在低速狀態下怎麼獲得動力呢？答案是：先用普通飛機帶著飛，達到工作速度以後再拋出去單獨飛。聽起來好業餘啊，不過我讀書多不會騙你的。還有就是研發出多模態的混合發動機，在不同的飛行速度下，用不同的發動機提供動力。

完畢。

補充一句：本文是按照大規模應用的時間順序列舉的航空發動機種類。而並非按照其發明時間。實際上，衝壓發動機和渦噴發動機很早就發明出來了，只不過由於飛行環境以及效率優化等原因，並沒有大規模的應用。人類發明飛機以來，最開始是低空和低速飛行，此時，空氣密度大，使用螺旋槳推進效率很高，儘管此時衝壓發動機的概念已經提出，然而並不能用在飛機上。飛行器技術的更新是一個系統的工程。

聲明：由於是科普，所以沒堆砌公式，只是用一種很業餘的白話來講述，見諒。

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