噴氣式飛機的推進裝置一般有四種不同的設計：渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機（或旁路引擎），渦輪螺旋槳和渦輪軸發動機。這篇文章将讨論現代飛機上最常用的兩種發動機：渦噴和渦扇發動機的設計和布局，并解釋他們的特點說明每個發動機适用于特定的任務。具體而言，将圍繞兩個主題。第一個是擁有獨立的低壓和高壓線圈的多軸發動機，第二是旁路發動機，在該發動機中大部分的空氣由風扇壓縮後繞過核心燃燒室和渦輪。

　　通常來說，每個發動機都是由四個部分組成：壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管，如下圖1所示。壓氣機用來提高燃燒前的進氣壓力；渦輪是發動機的心髒，它從高溫高壓的燃燒産物中獲取工作介質。動力渦輪的作用不是提供推力，而是驅動壓氣機。高溫高壓的燃燒産物經過尾噴管擴噴來提供推力。在某些軍事渦噴發動機中，排氣速度和飛機推力的提高是通過在排氣管道中的“二次燃燒”實現的。

　　圖1： 典型的燃氣渦輪噴氣發動機簡圖。空氣在進入發動機的時候經過風扇葉片的壓縮，然後在燃燒室中與燃料進行混合和燃燒。排放的高溫燃氣在提供向前推力的同時給壓氣機提供驅動力（圖片來源：維基百科）

　　1.1 渦噴發動機

　　渦噴發動機是最早的噴氣式發動機，由Sir FRank Whittle和Hans von Ohain在在二戰期間發明。這種發動機在民用飛機中已不再使用，主要應用于高速推進的軍機。圖1是這種典型噴氣式發動機的橫斷面圖，展示了這種發動機的布局，在同一個軸上，軸向壓氣機由軸向的渦輪驅動。這種裝配形式，使壓氣機和渦輪被稱作“軸”，新型發動機通常擁有兩到三個“軸”，這樣在壓氣機和渦輪中的壓縮和膨脹過程就可以分布在不同的部分。照這種方式，一個低壓壓氣機和一個低壓渦輪安裝在同一軸上就組成了一個低壓“軸”。低壓軸穿過高壓壓氣機和高壓渦輪組成的高壓軸的中空内部，這樣壓氣機和渦輪被分離成獨立的部分以減少壓氣機和渦輪葉片的離心力。為了使運行效率達到最佳，允許不同位置的壓氣機和渦輪具有不同的運行速度。

　　就渦噴發動機能保持着持久的超音速和在飛機推進方面的優勢來說，羅-羅公司的Olympus 593是一個很好的雙軸發動機的例子，可以給Concorde（協和式超音速噴射客機）提供兩倍的音速。

　　1.2渦噴發動機的優化

　　在優化噴氣式發動機的時候兩個參數經常要考慮：發動機的比推力（ST)和燃料消耗率（SFC），即能産生單位推力的燃料質量流量。通常來說，渦輪設計者利用兩個熱力學變量來優化這兩個參數：壓氣機壓比（R）和渦輪的進口溫度（TET）。這兩個變量對SFC和ST的影響将依次被考慮。

　　ST受TET的強烈影響,在産生特定大小推力的時候，為了使發動機盡可能的小，應該使TET變成最大。然而，R不變的情況下TET的增加将會引起SFC變大。另一方面，增加ST比損失更多的SFC更加重要，特别是在高速飛行時，小型發動機對于減小重量和阻力都很關鍵。

　　增加R總是會導緻SFC的減少，因此确保有效的壓縮階段經濟型發動機是關鍵所在，對于TET值固定的情況，增加R在一開始會提升ST但最終會導緻ST的再次減少。因此，需要由工程師來确定一個最優的R值。而且，ST取最大時最優壓比随着TET的增加而增加。

　　R和TET的優化當然不可能脫離發動機的機械設計而單獨進行，提高TET需要使用更多昂貴的合金材料和冷卻渦輪葉片，這必然導緻成本增加、機械的複雜性或是發動機壽命的虧損。R的增大還會使壓氣機和渦輪相應變大，這會增加發動機的重量、成本和機械複雜性。

　　最後，對于不同的飛行速度和飛行高度，渦噴發動機的性能也不同，因為質量流量和阻力動量随着空氣的密度和前進速度變化。随着高度的增加，總推力大大減少，這是由周圍環境的密度和壓力的減少導緻的，但是比推力可能會因為較低的發動機進氣溫度而變大。然而，SFC會因為高度的增加變小，這是由一個工科學生Frank Whittle通過計算得出的，這個結論導緻他想要去發展噴氣式發動機。

　　2.1渦扇發動機

　　如上所說，具有高出口速度的渦噴式發動機滿足不了民機所要求的高推進效率。為了提升推進效率，使用一種旁路發動機，通常被稱為渦扇發動機。

　　渦扇發動機的核心部件和渦噴發動機本質上是一樣，有壓氣機、燃燒室、動力渦輪，如圖2所示。然而這種發動機有第二個渦輪用來驅動發動機前面的大型風扇。風扇将空氣直接通過旁路管道送到排氣口不用經過燃燒室。基于此，設計者經常考慮到旁路中的冷流和核心區的熱流。将來自旁路中的冷空氣和核心部位的排放的高溫燃氣混合會提高推進效率，降低噪聲。早期的旁路發動機涵道比（流經旁路的空氣質量流量除以流經主路的空氣質量流量）在0.3~1.5之間，現在大型客機都裝備高涵道比發動機，涵道比達到5以上。

　　在羅-羅公司的RB211發動機和Trent 系列中，低速風扇由一個渦輪驅動，兩個内部的壓氣機由另兩個獨立的渦輪驅動，這樣就形成了一個三軸結構的發動機。

　　圖2 渦扇發動機的原理圖（圖片來源：維基百科）

　　2.2渦扇發動機的優化

　　對于渦扇發動機的設計者來說需要考慮四個主要的參數：涵道比（BR）、總壓比（OR），風扇壓比（FR）和TET。和渦噴發動機一樣，想提高推力就要增加TET。當FR增加的時候，由冷流産生的推力變大而又熱流産生的推力減小，因為更多的功被用來驅動風扇。存在一個最佳的FR使得 最大。事實上，如果OR和BR保持不變，使F取最大值的最優FR将自動使得SFC變為最小。

　　随着BR變大，推進效率提高但是SFC下降。對于渦扇發動機來說，BR通常介于4~6 ，OP和TET都很高。推力對于軍機更為重要，因此BR要減少到0.5~1

　　BR極大的影響發動機的效率、外觀、尺寸和重量。随着發動機重量的增加，有效載荷将減少，大型客機的收益随之減少。其次，增加機翼的升力來驅動更大型的發動機勢必導緻更多的阻力。最後，針對實際的原因BR10對于現在的技術來說是不現實的，因為要想使得渦輪運轉的更快必須在驅動動力渦輪和風扇之間安裝齒輪箱。這樣的設計肯定需要大量的研發時間，還可能引起重量增加，由此帶來的不利影響超出提高BR帶來的好處。因此，發動機的優化不能僅僅隻從熱力學參數方面考慮，飛機制造商最終決定安裝哪一種發動機取決于哪一種設計可以給大型客機帶來最高經濟收益。

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