除雪剂吸入发动机：不想当除雪车的涡喷发动机不是好发电机
除雪剂吸入发动机：不想当除雪车的涡喷发动机不是好发电机如果我有一团温度奇高的气体，就能获得一股足够强的喷气。但这种转换也有尽头，不论气体的初始温度有多高，这个喷管最多只能将气流加速到声速，达到声速后，气体在此类喷管中会开始减速，这很有意思，但是这并不是今天的主题。示例2所有的燃气轮机都是基于一个十分简单的理论研制而成的。当气体流过一个收缩的通道时，喷口的气流速度会明显大于入口速度，这很符合常识，但这个收缩的喷管，让气体的动能凭空增加了，这很不符合常识，因为没看到任何外力在对气体做功。示例图对于流体来说，液体流过同样的管道，增加的动能是以静压的减小为代价换来的，气体也同样遵守这一原理，不过更复杂的是，气体具有可压缩性，气流静压的减小意味着空气在膨胀，温度在降低，去掉中间环节，气体增加的动能，来自气体温度的降低。也就是说，这样一个简单的通道，实现了动能和内能的相互转换。
1939年，德国人造出了世界上第一架喷气式飞机，这架飞机的发动机，1.48米长，0.93米宽，360kg重，可以产生490大牛推力，作为对比，新款777采用的GE9X发动机，9.6吨重，轻松制造4万9千大牛的推力。尽管从外观上很难看出两者有何联系，但他们都有一个共同的名字，燃气涡轮机。
第一架喷气式飞机的发动机
与GE9X对比
不止飞行，我们能在轮船、发电站甚至坦克上都能看到它的身影，是什么驱使着空气源源不断地涌入发动机，燃气轮机又是怎样地高效成为了大功率设备的终极选择？欢迎收看航发进化论的第一期 涡喷？涡扇？涡浆？ 航空发动机的本质是复制粘贴？
所有的燃气轮机都是基于一个十分简单的理论研制而成的。当气体流过一个收缩的通道时，喷口的气流速度会明显大于入口速度，这很符合常识，但这个收缩的喷管，让气体的动能凭空增加了，这很不符合常识，因为没看到任何外力在对气体做功。
示例图
对于流体来说，液体流过同样的管道，增加的动能是以静压的减小为代价换来的，气体也同样遵守这一原理，不过更复杂的是，气体具有可压缩性，气流静压的减小意味着空气在膨胀，温度在降低，去掉中间环节，气体增加的动能，来自气体温度的降低。也就是说，这样一个简单的通道，实现了动能和内能的相互转换。
示例2
如果我有一团温度奇高的气体，就能获得一股足够强的喷气。但这种转换也有尽头，不论气体的初始温度有多高，这个喷管最多只能将气流加速到声速，达到声速后，气体在此类喷管中会开始减速，这很有意思，但是这并不是今天的主题。
拉瓦尔喷管
好在决定推力的不只是出口速度，增加气流的密度，也就是流量质量，同样能增大推力，影响气流密度的参数是气压。那问题来了，我这么好好的一股高温高压的气团，凭什么就得往你这个喷管里跑呢，所以我们还需要在这股气团前，加一个增压装置，在制造高压气体的同时，推着气团向喷管流动。
示例
这样我们就有了一台燃气轮机的雏形。接下来是如何实现每一个环节，首先是增压，我相信你的想法和20世纪30年代的人差不多，八成会直接拆一个气泵装上去，这种气泵可以通过高速旋转的离心力轻松实现数倍于大气压的增压效果。
简单粗暴的气泵
当然，仅仅只利用离心力肯定不能满足二战前那帮工程师的野心，气泵的叶片之间被精心设计成扩张通道进一步给气体减速增压。这一部分也被称为压气机，完成增压的气体进入燃烧室与燃油混合燃烧增温，但在向后喷出前，压气机似乎还缺少一个动力源驱动它压缩气体。这个简单，我们反向设计一个压气机，装在燃烧室的出口，不就能让燃烧后的高温高压气体驱动其旋转，带动压气机增压了么，这个反向的压气机，我们称之为涡轮。当然，涡轮上的叶片间是收敛的通道，在旋转的同时，加速膨胀冷却气流，进一步提升喷管的出口速度，增大推力。
离心式喷气式发动机雏形
这就是一开始提到的发动机原型，hes 3喷气式发动机，因为是用离心力的方法压缩空气，它的准确名称应该为离心式涡轮喷气式发动机。
hes3发动机原理图
有了原型机，剩下的工作就是如何压榨出其内在的每一滴性能。决定推力的核心参数，正如前文提到的，气流质量和喷气出口速度。气流质量越大，意味着压气机的压缩能力越强。提升压缩能力的方法无外乎增大压气机的直径和拉高转速，考虑到这是为战斗机打造的引擎，很难在直径上动手，提升转速就成了一个现成的办法。
1/4剖切模型
还是得从涡轮的部分下手。玩过小风车没。魔改一下，接到涡轮转轴后面去。
考虑到前面那段气流膨胀完出来仍在旋转，在这个小风车的前面，发动机外壳的内部，再焊上一圈导流片，引导燃气对着风车吹。当然，空气动力学什么的，也得往上加一加。燃气在导流叶片流动的时候也不能忘了膨胀，叶片之间通过叶型巧妙地弧度设计，让其在内流动的时候走的是一个渐缩的通道，后面小风车的叶片也不能闲着，叶片入口角度要和导流片出口的气体速度方向一致，以最大化的减少流动损失
导流环
同样通过弧形的设计，让气体在推动风车旋转的同时继续流过收敛通道，继续膨胀加速。此时，获得了流体力学理论加持的部件再用导流叶片和小风车称呼他们就不合适了，焊接在发动机外壳上起到导流作用的被称为静叶，与转轴焊在一起，驱动压气机旋转的被称为动叶。
动静叶配合
如果一次加速提供的动力不够，没关系，参照上面一静一动的设计，继续复制，直到能将压气机转速拉升满意的水平。由于这种逐级膨胀的设计过于优秀，成熟的离心式涡喷发动机往往选择将燃气直接喷在涡轮叶片上。因为燃气在每一级的叶片流动时都是在加速膨胀，我们需要更多的空间去与其匹配，所以涡轮的横截面积是在逐渐增大的。
涡轮
涡轮横截面
此类发动机最经典的应用来自于苏联VK1型发动机，采用单级双面离心式压气机，分管燃烧室，1级涡轮，先后应用于米格15和米格17，被我国引进后命名为涡喷5，安装在沈飞生产的歼5上，是新中国领空的初代守卫者。
苏联VK1发动机
从这仅有的一级涡轮也能看出，发动机对燃气内能的利用并不充分，还没怎么来得及膨胀，就被喷了出去，整体的热效率不高。推进能力虽然不行，除雪能力却极强。上世纪80年代，随着歼5的退役，大量闲置的涡喷5被改装到了卡车上，成了冬日除雪神器，一米厚的雪，尾气喷过去，十米之内连个水蒸气都看不见，真除雪车里的战斗车。
战车级除雪车
这种八竿子打不着的改装思路侧面反映了离心式涡喷发动机对工作条件要求低的特性，低到驱动涡轮的都不一定是燃气，废气也可以。汽车发动机的涡轮增压系统和离心式涡喷发动机的原理几乎一致，在气缸内燃烧膨胀完仍有余温的废气经过涡轮进一步膨胀释放内能，带动进气道内的压气机增压提升进气量。
示例图
离心式涡喷的缺点也很明显，从气流的路径能看出，无论从机头进气道吹进来的气体有多快，都需要在轴向上减速为零，再重新加速喷出，这限制了发动机的流量，而离心式压气机扩大增压比两个方法，增加转速和增大直径，无论哪个都对轮盘的材料和加工要都很高，（单转子）增压比常年无法突破10，这都极大的限制了发动机的整体功率。
离心式涡喷发动机
不过，离心式涡喷并未随着技术的进步离我们而去，它结构简单，不吃空速的特性可以说除了喷气效果不好，哪哪都好，成为小体积，大功率设备首选，大型民航客机在尾部都安装有一台这样的发动机用来提供辅助动力。如A350采用的霍尼韦尔生产的HGT1700型APU，总重不过350千克，串联的两级离心涡轮实现了10倍的增压比，3级涡轮的主要功能不再是加速膨胀空气，而是将所有的动力吸收。
3级涡轮式APU
以额定48000转的转速去带动前方的负载压气机和发电机，在海拔8000米的稀薄空气下依旧能持续输出等效1700马力的功率。当然，严格来说，APU已经不能算在涡轮喷气式发动机范畴内。
航空模型采用的喷气发动机大多也都是离心式，其实如果你有足够的时间，利用网络上现成的图纸和3D打印技术，完全可以打造一台属于自己的喷气式发动机。
以上就是本期内容，本系列的下一期，我们将继续探索轴流式涡轮喷气发动机的原理与奇怪应用。
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