涡扇发动机优点 : 推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低,飞机航程远。
缺点 : 风扇直径大,迎风面积大,因而阻力大,发动机结构复杂,设计难度大。
涡轮风扇发动机运行原理:
涡扇发动机全称为涡轮风扇发动机(Turbofan)是飞机发动机的一种,由涡轮喷气发动机(Turbojet)发展而成。 与涡轮喷气比较,主要特点是首级压缩机的面积大很多,同时被用作为空气螺旋桨(扇),将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向後推。发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道,仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。
涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用,因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。
用涡扇发动机做栗子吧。
涡扇发动机有两个涵道分别流通空气,内涵道既加热又加速,外涵道只加速不加热。
发动机的推力是通过加速空气得到的反作用力产生的。
那么,内涵道既加热又加速,所以同样多的空气,获得的能量大,推力也大。因为热量也可以转化为压力和速度。
但是,同样的能量(燃油)下,内涵道获得的推力反而小了,因为一部分能量变成了热量。
那么好了,如果我们需要发动机推力一定的情况下空气流量尽可能小,或者在空气流量一定的情况下推力尽可能大,就需要把内涵道做大,外涵道做小,完全取消外涵道时就成了涡喷。
如果我们需要在推力一定的情况下燃油消耗尽可能小,或者在燃油消耗一定的情况推力尽可能大,就需要把外涵道做大,内涵道做小。内涵道小到极限时就可以把发动机的外涵道机匣(外罩)去掉,这成了涡桨(内涵道不能取消,因为外涵道的动力需要内涵道提供)。
在地面工作时,航空涡轮发动机的压气机会吸入空气,这时在进气道内形成一个低压区,在进气道外面,越靠近发动机进气口的地方空气压强就越低,压强梯度以音速向外传播并推动空气向发动机流动。因此在亚音速状态下,空气是被发动机“吸”进来的。有限的进气道能够获得大得多的空气流量,那么在空气流量足够的情况下,外涵道大的涡扇甚至涡桨就会比涡喷省油得多。
但在超音速飞行状态下,飞行速度超过压强梯度传播速度,发动机前方的空气不会自发流动,于是只能被动的“冲”进发动机。所以超音速时发动机的空气流量会被进气道的面积严格限定,而扩大进气道又会增大阻力。在阻力(进气道面积)一定的情况下,外涵道小的涡扇甚至涡喷就能获得更大的推力。推力一定时一定条件下会比较省油,因为随着进气道扩大,阻力上升很快。
总结来说。
亚音速条件下,涡扇的涵道比越大越省油,涡桨最省油,涡喷最费油。
超音速条件下,涡扇的涵道比越小有效推力越大,而且一般会省油。涡喷性能最好。涡桨一般超不过音速,因为螺旋桨的桨叶会比飞机更快到达音速,阻力和震动都太大了。