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标题: 哈英还是哈德 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2020-5-8 12:54
标题: 哈英还是哈德
本帖最后由 晨枫 于 2020-5-9 17:29 编辑 7 X3 o( T9 u- s+ e$ H
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哈英如今不时兴了，哈德还是大有人在。这本来不成问题，但在涡轮发动机的技术路线上，这还真是一个问题。在这里，涡轮发动机泛指包括涡喷、涡扇、涡桨、涡轴的所有涡轮类发动机。
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大部分螺旋桨飞机都是拉进式螺旋桨3 M8 B% M$ ~, a# V" Q& ?0 h

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用推进式螺旋桨的也有，但很罕见5 j, _0 ]5 s4 d2 f3 ]8 T. n

, p0 i1 k. s, V3 s在飞行的萌芽时代，喷气式推进问题就得到研究。螺旋桨需要外来动力驱动，在早期，活塞式内燃机是唯一现实的动力来源。螺旋桨有前置的拉进式和后置的推进式，拉进式是主流，这不是偶然的。活塞式发动机需要良好的冷却。拉进式螺旋桨的气流自然流过发动机，即使在静止或者低速飞行状态，依然能保持良好的冷却。但拉进式螺旋桨近圆心处必然被发动机和机体遮挡，这里是纯阻力。发动机功率越大，圆心的“死面积”越大，阻力越大。这个问题是无解的。
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推进式螺旋桨没有圆心阻力问题，但在静止和低速飞行状态下，拉动的气流速度通常不足以冷却发动机，容易导致过热。另外，推进式螺旋桨如果设置在机尾，起飞拉起时容易触地，起落架卷起的异物也容易击中螺旋桨，造成损坏。) f. ~2 R9 l) Y' k, v

' n. ^; m& M, Z很早就有将机身做成涵道螺旋桨的设想，这样，空气在涵道内加速，没有圆心阻力的问题，但动力问题不容易解决。很快，涵道螺旋桨的推进方式不了了之了。但是，喷气发动机在某种意义上可以看作涵道螺旋桨的高度发展，螺旋桨与动力合为一体了。
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  D0 u+ a, g+ o: j5 Y惠特尔和他发明的喷气式发动机4 x% T8 N6 P5 s5 d
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奥海恩（左）和惠特尔（右）在战后研究惠特尔的发明
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1 Z' }: J/ c. `4 v4 h% W' U涡轮喷气发动机是在二战前夜发明的，在战时投入使用的。首先问世的是涡轮喷气发动机，这也可以看作是所有涡轮发动机的基础。英国人弗兰克·惠特尔在1937年首先发明涡喷，德国人汉斯·冯·奥海恩首先把涡喷实用化，在1939年装上亨克尔He 178实现了首飞。1944年，喷气式的梅塞施密特Me-262投入战斗。同年，英国格洛斯特“流星”也开始服役，但只有有限使用。3 I3 o4 u, y) {  D; k: r
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1 `3 F; n- Z! \Me-262从外观到性能都是革命性的
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: Z5 m& _: Z' y: r: A格洛斯特“流星”则相对保守，可以看到，发动机要粗一圈，但也短一截
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) G0 f' |3 I# \6 Q3 ]7 U: x7 PMe -262和“流星”如果在空中相遇，谁会胜出，这已经是一个穿越性的问题了。在现实中，Me-262在1944年4月投入使用，并马上大量投入战斗。“流星”在3个月后的7月投入使用，但只用于英伦三岛的国土防空，尤其是拦截德国V-1导弹。直到1945年1月，“流星”才开始在欧洲大陆有限部署，而且在开始时严禁飞入德军防区，生怕落入德军或者苏军之手。这也是德国空军出的气比进的气多的时候了，“流星”只有对地扫射中的击毁德机战绩，没有空战战绩。最大的威胁反而是盟军防空火力误把“流星”当作Me-262了，毕竟那时喷气式战斗机很少，官兵没怎么见过“流星”，一听到尖利的喷气发动机，就当作Me-262了。2 V7 D) @! `) r& ]0 x8 i
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惠特尔和奥海恩是在互不知情的情况下独立发明喷气发动机的。在战云密布的战前最后年代，喷气发动机的研发也是高度机密的，双方不存在互相抄袭的可能性。有意思的是，两人的发明导致了英国和德国采用了不同的技术路线。英国涡喷采用的是离心式压气机，德国涡喷采用的是轴流式压气机。" q6 V5 ^* n% D1 E9 ]
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涡轮发动机的燃烧室里实际上是等压燃烧，升温但并不增压。升温使得炽热的燃气在膨胀的同时，向后流动，形成推力。保证气流向后流动的是压气机，压气机的最终压力越高，涡喷的效率越高。/ q6 s1 L. K; _0 B3 W' k5 ^) _% X

9 F5 k1 t8 P6 U7 ?- A8 n; p间隙工作的压气机可以用活塞式，但连续工作的压气机只有离心式和轴流式。离心式用高速旋转的离心力达到增压。离心式压气机采用像收腰的火山一样逐渐收尖的叶轮，叶片沿着山坡方向，可能是盘旋下山而不是直线下山的，进气在山尖，排气在山脚，用环腔收集后导出。用在离心式压气机上，火山是“侧立”起来的，山尖冲着进气方向。为了增加效率，还可以采用双面叶轮，这样火山就背靠背了，底盘连接到一起。
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/ c+ B' s5 y5 |0 w/ I轴流式则是像多级串联的电风扇，同样达到增压的作用。这是用每一级的叶片在相对于旋转平面的角度“刮压”气流产生的增压。  j! w# f5 r/ B% z

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格洛斯特“流星”使用的罗尔斯-罗伊斯“德文特”7 u  H# ]" x& F* F! t# w/ t
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; M. E2 ~+ [2 ]3 A7 ^' [3 R/ L* G$ @! `典型的离心式压气机
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Me-262使用的Jumo 004
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" E" A1 F0 b( B0 k# ~典型的高低压轴流式压气机及其涡轮4 s; X) H) ]8 _
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离心式的结构简单，在较大转速范围内都有较高的增压效率，可以达到很高的出口压力，但工作流量较小，很难串联，一般只有一级，最多两级，更多级数结构急剧复杂，而增压效果不再明显。离心式的增压效率还取决于叶轮的转速和直径，到一定程度后，离心力对叶轮的影响太大。另外，气流前进途径转折较多，动能损失较大。所以离心式的门槛低，天花板也低。
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轴流式的特点反过来，工作流量大，气流路线直线前进，但结构复杂，单级增压比低，转速对增压效率的影响较大。轴流式最大的好处在于易于多级串联，天花板比离心式大大提高，但门槛也提高了。4 C8 O3 Q* P/ N' Q  d# y
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对于飞机上的应用来说，离心式比较短小，重量轻，但直径大，迎风阻力大；轴流式正好反过来。) X- m1 q+ v) M( }7 a. g! C
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典型涡轮增压，中间的发动机没有画出来
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英国的离心式路线是从英美的涡轮增压技术自然发展而来的。涡轮增压是活塞式发动机增加马力的有效方法，发动机排气驱动涡轮，涡轮带动离心式压气机，增压发动机进气的压力和含氧量，增加发动机的出力。在活塞式发动机时代，这是高空性能的关键。空气稀薄的高空使得发动机排气背压降低，涡轮出力增加，正好补偿进气不足的问题。英美的涡轮增压技术是英美战斗机的高空性能压倒德日战斗机的关键。涡喷只是把压气机和涡轮之间的活塞式发动机用环罐燃烧室代替了。# w3 w. J) M/ L. v1 m
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德国的活塞发动机也用增压，但这是机械增压，由发动机通过传统轴直接带动压气机，一般是鲁茨型或者伊顿型，前者采用两个花生形的转子互相挤揉，好像捏面团一样；后者用螺杆。机械增压在发动机转速和出力较低的时候更加有效，但最大功率时，反而“吃”功率。英美也用机械增压，常常和涡轮增压联合使用，形成双增压，较好地涵盖了低空低速到高空高速的整个范围。高空高速性能不给力是德国全力发展喷气发动机的重要原因。相反，英美这方面的压力不迫切，加上战争后期欧陆空中形势大好，所以不着急，“流星”投入使用了都不急着上战场。3 [* s( z8 l; O3 S) g& G0 K1 p; j

1 V! m. I( V2 ]2 ^" G6 k' g尽管梅塞施密特Me-262抢先大量使用，还有亨克尔He-162、阿拉多Ar-234（后者是历史上第一种喷气式轰炸机），德国的轴流式压气机并不算成功，部份原因就在于门槛高于时代所能提供的使用条件。机械故障除外，发动机部件烧融的事情很多，发动机的加减速性能很糟糕，结果Me-262起飞、着陆时，必须出动Me-109或者FW-190升空保护，防止盟军偷袭。, s' w. [9 p9 v6 R( B
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& N, A" J- Y  ^- N8 {罗尔斯-罗伊斯“尼恩”
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米格-15打出了米格的天空6 `. }9 D2 n8 z5 @" u( f
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相反，英国的离心式压气机在早期相当成功，不仅“流星”的发动机在战后初期轻易增推几乎一倍，罗尔斯-罗伊斯“尼恩”在苏联按照许可仿制、改进后，装备米格-15，造就了一代名机，也开创了苏联战斗机的时代。
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但进入50年代后，超音速成为新的标杆，离心式的问题马上也出来了。推力难以进一步提高，因为更大的推力来自更大的空气流量，而离心式不适合大流量。另外，较大的直径使得迎风阻力太大，不适合用于对阻力特别敏感的超音速飞机。此后，轴流式取代离心式，成为喷气发动机的主流。
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但是，凡是总是有个但是。离心式结构简单、增压效率高的特点在直升机上特别适合，发动机直径稍大对于直升机也不是太大的问题，所以直升机上的涡轴用离心式压气机很多，传奇式的通用电气T700就是，全新的深度改进型T901也是，在相同的尺寸、重量下，功率增加50%，油耗降低25%，寿命延长20%，充分说明了离心式的生命力。5 g3 E0 m" S; E/ S3 P$ [

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T700结构紧凑，功率强大，一部分原因就是归功于离心式压气机
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: z3 j2 W7 G2 ]* |$ r典型的轴流-离心式压气机，这里还显示了逆流式燃烧室，离心式压气机的出气进入燃烧室后，调转180度燃烧膨胀，然后再调转180度进入涡轮，这样长度进一步缩短，但动能损失较大
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IDF的F125也是轴流-离心式压气机，这是非加力版的F124，与F125的差别就是一个加力燃烧室
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IDF一看就是秀秀气气的，连拉烟都是那么文雅
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不过T700/901不是简单的离心式，而是轴流-离心混合式，用较小的轴流式作为低压的前级，用离心式作为高压的后级，既利用轴流式在低压段的效率最高的优点，又利用离心式的在高压段依然具有较高增压比的优点。由于轴流式的转速较高，离心式的转速较低，单转子就可以兼顾两者的最优效率转速，进一步简化了结构。嘉莱特TPE731小涡扇也是用轴流式低压压气机加离心式高压压气机的组合，同样是单转子，但用齿轮减速驱动风扇，这算是第一种齿轮减速涡扇了。TPE731的加力型就是台湾IDF战斗机上用的F125。
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不过F124要像T700那样增推不容易。涡轴增加功率的关键在于提高压气机的出口压力，但涡扇要大幅度增推，关键在于提高空气流量。到一定程度后，离心式不适合大流量的问题又回来了。另一方面，直升机发动机的功率要求相对于战斗机或者大型客机来说毕竟是较低的。作为参照，已经逆天的通用电气T901的功率只有MV-22的罗尔斯-罗伊斯T406的一半不到，核心发动机来自罗尔斯-罗伊斯AE3007/2100系列，但AE3007是小涡扇，只有30-45kN级，用于小号公务机、波音MQ-25“黄貂鱼”和诺斯罗普RQ-4“全球鹰”无人机，AE2100则用于洛克希德C-130J和C-27J运输机，后者是双发，前者是四发。AE3007/2100已经使用轴流式压气机了。: N9 n  ?5 Z! t! P' R: I  r
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典型的微型涡喷
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* i5 N! w5 b; M$ K; A5 E( A; @2 ~离心式压气机在微型喷气发动机上也使用较多，用于巡航导弹、无人机、模型飞机等。
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另一方面，轴流式迎风面积小的优点在大涵道比涡扇上被有意无视了，动辄8：1、10：1甚至12：1的涵道比使得风扇的迎风面积巨大，这当然是为高亚音速飞行而优化的，但在某种意义上是对涵道螺旋桨的回归。
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而新一代大涵道比涡扇又不在呼迎风面积了
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哈英还是哈德？英德本来不分嘛，温莎王室来自汉诺威，德国主导的欧盟则以英语为工作语言，英中有德，德中有英，这样更加和谐嘛。& M& }$ b7 _. _' ~( @/ @6 G  r
作者: liuqing098    时间: 2020-5-8 16:53
字全部认识，但是不懂。看看
作者: 东中    时间: 2020-5-8 17:21
英中有德，德中有英。。。日常辱髮，把欧洲大国-髮国放到哪里去了



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