涡扇发动机涵道比为何越来越大？

涡扇发动机涵道比增大旨在提升推力与推进效率。通过增加外涵道空气流量，降低排气速度，减少排气动能损耗，从而最大化机械能用于推动飞行器，提高推进效率。尽管面临流动耗散、气动阻力、结构重量等挑战，但合理增大涵道比能显著提升发动机性能。同时，涵道比与压比、涡轮前温度等参数共同决定了发动机的整体效率与推力表现。

涵道比，也被称为旁通比，指的是涡扇发动机外涵道与内涵道空气流量的比值。涵道比越大，表明外涵的流量相对内涵(核心机)的流量越大。自从涡扇发动机出现以来，其涵道比越来越大，这种趋势在民用涡扇发动机上的体现尤其明显——民航客机的的发动机正以肉眼可见的速度变“粗”。那么涵道比变大有什么好处呢？

首先考虑一个问题，一台涡扇发动机，保持核心机流量不变，并且固定核心机传递给外涵风扇的功率，怎样使总推力最大化？由于核心机推力不变，所以问题可以简化为：一台风扇，对其输入的功率恒定，怎么样做才能使它的推力最大化？

假设风扇前方来流速度是V，输入给风扇的功率为P，通过风扇的空气流量为为q(kg/s)，风扇对空气做功使空气流速增加到风扇后的V+DeltaV。

为了避免不必要的细节把问题复杂化，假设风扇对空气做功的过程以及流动没有损失(也就是说效率100%)，那么根据能量守恒，风扇每秒对空气做的功等于同样时间内流过风扇的空气的动能增量：

P=frac{1}{2}q[(V+DeltaV)^2-V^2]=frac{1}{2}qDeltaV(2V+DeltaV) ag{1}

根据动量定理，其中的qDeltaV显然就是风扇的推力F。(1)式可化为

F=frac{2P}{2V+DeltaV} ag{2}

(2)式中，输入功率P和来流速度V都是不变的。显然速度增量DeltaV越小，推力F越大；当DeltaV ightarrow0时，推力F趋于最大推力P/V。

现在再回过头看(1)式，这里再写一遍：

P=frac{1}{2}q[(V+DeltaV)^2-V^2] ag{3}

P和V都是不变的，DeltaV ightarrow0时显然有流量q ightarrowinfty。

到这里答案就出来了：

1、对于一台风扇，如果输入功率P恒定且来流速度V不变，那么被风扇作用的空气流量越大，风扇的推力越大；

2、随着流量的增加，推力不会无限增加，而是趋于一个有限的最大值P/V。

回到最开始的问题，结论就是，要使发动机的总推力越大，外涵的流量就应该越大，即涵道比应该越大。

现在来看个实例，假设一台风扇的输入功率是10000kW，飞行速度是100m/s。我们按照之前推导出来的公式画出推力和速度增量随流量变化的曲线：

这篇文章原本是作为另一篇文章(如下)的准备知识顺便写的，没想到大家很喜欢现在这一篇，那我就再补充些内容。

我们可以从能量的角度来思考为什么会有前面的结论。现在把参考系换成地面，发动机推着飞机以V向前匀速飞行，风扇前方空气是静止的，风扇后的排气速度就是DeltaV。风扇的总输入功率P一定，如果这些功率全部能用来产生推力对飞机做功最理想的，因为飞机飞行速度是V，那么理想推力就应该是F=P/V，显然就是我们前边推导出来的最大推力，此时排气速度DeltaV ightarrow0，耗费在排气动能中的能量趋于0。当涵道比减小，排气速度DeltaV逐渐增大，耗费在排气中的动能越来越多，能用于给飞机做功的能量越来越少，推力也就越来越低。不妨看下(1)式最右端的组成：

P=frac{1}{2}qDeltaV(2V+DeltaV)=FV+frac{1}{2}q(DeltaV)^2 ag{4}

第一项是风扇推力对飞机做功的功率，第二项是每秒耗费在排气中的动能。

现在定义一个效率：

eta=frac{FV}{P} ag{5}

结合(2)式有

eta=frac{1}{1+frac{DeltaV}{2V}} ag{6}

这就是航空发动机领域所说的推进效率，衡量的是发动机(本文中是风扇)所产生的机械能中真正发挥作用(用于对飞行器做功，推动飞行器飞行)的比例。根据(6)式可知，排气速度越低，推进效率越高；当涵道比无限大，推进效率趋于1。对于在地面试车的发动机，(5)式中的V=0，虽然发动机正常产生推力，但机械能全部浪费给排气的动能了，推进效率是0。

航空发动机中还有个效率叫热效率，是从热机的角度衡量发动机把燃烧所产生的热能转化为机械能的效率。航空发动机采用的是布雷顿循环(BraytonCycle)，理想布雷顿循环的热效率是由压比决定的，也就是说，航空发动机的压比决定了它的热效率，与其它因素无关(开加力另当别论)，这也是航空发动机厂商为什么削尖了脑袋也要提高压气机压比。

发动机的总效率是热效率乘推进效率，反映了从“热能→机械能→推进功”的总效率，热效率反映第一个过程，推进效率反映第二个过程。

从能量的角度看，当我们增加涵道比，我们改善的是什么呢？一台发动机，当它的核心机定了，压比就定了，热效率你是改变不了的。一台涵道比10的大涡扇和直接把它的核心机拿出来作为一个涡喷，热效率是一毛一样的，产生的机械能是一样多的。增大涵道比为的是提高推进效率，提高对机械能的利用效率。

但是，根据前面的推导，随着流量增加，推力的增加越来越慢，靠加大风扇、增加涵道比来增大推力，存在边际效应递减的问题；理论分析对问题做了很多简化，考虑到实际流动存在耗散、迎风面积增加带来的气动阻力、风扇直径大导致叶尖马赫数过高、结构重量增加、制造难度大等一系列问题和工程挑战，真实涡扇发动机的涵道比的增大也会有个限度。而且涵道比太大不如直接取消外涵做成桨扇或涡桨。

再补充些知识，关于航空发动机的那些参数是什么意思，有什么作用。

压比，压气机出口(燃烧室前)的压强与远前方自由空气来流的压强之比；提高压比的作用如前所述，提高热效率。

涵道比，外涵道空气流量与内涵道空气流量之比；提高涵道比的作用如前所述，提高推进效率。

涡轮前温度，顾名思义，就是涡轮前(燃烧室后)的温度；提高涡轮前温度可以提高比推力(也叫单位推力，就是1kg/s空气流量所能产生的推力)，进而提高推重比。这个比前两个更好理解，比如空气总温500K，你烧一份油可以把空气总温提高到1000K，烧两份油可以把空气总温提高到1500K。那么对于同样的空气流量，1500K涡轮前温度的加热量就是1000K的两倍，做功能力自然也就是后者的两倍，推力也就增加了(不到原来的两倍，因为排气速度增加导致推进效率下降)。具体到一台发动机，确定了空气流量，这台发动机的总体大小和重量基本就定了，其它条件不变，涡轮前温度越高意味着加热量越大，做功能力越强，推力越大，(因为发动机重量不变)推重比自然也就越大。但是要注意，油不是你想多喷就能随便多喷的，因为温度过高会烧坏涡轮，所以这个涡轮前温度由涡轮的承受能力来决定，它限制了你在燃烧室能喷的最大油量。

有问题欢迎到评论区讨论，商业转载需本人授权，其余可随意转载，所有转载需注明原作者及出处。

以上内容由58汽车提供。如有任何买车、用车、养车、玩车相关问题，欢迎在下方表单填写您的信息，我们将第一时间与您联系，为您提供快捷、实用、全面的解决方案。