为什么涡轮风扇发动机是通过降低排气速度以产生更大推力？ 第1页

实用的喷气式发动机主要可分为四类，涡喷、涡扇、涡桨、涡轴；前三者效率依次递增，涡轴发动机不直接提供推力，主用于直升机。这里主要讨论前三种发动机效率高低，可以用牛顿定律和能量守恒定律做一个简单的分析。

飞机飞行中消耗的能量可分为有效能量和无效能量，有效能量即实际消耗在克服空气阻力做功，使飞机能够保持一定速度持续飞行所消耗的能量，无效能量即对飞机飞行没有直接帮助而消散的能量。

对有效能量做一个简化，认为飞机不论安装涡喷、涡扇或是涡桨发动机，其在相同速度下空气阻力相同，故稳定飞行获得的推力相同，而消耗的有效能量也就相同，故讨论他们的效率高低，只要对比在提供相同大小的推力下，消耗的无效能量的大小即可。

PS：实际三种发动机的阻力并不相同，在最后会做额外分析。

我们知道，喷气式发动机提供动力的来源是对空气做功，使其加速向后喷出从而获得反推力，根据冲量公式 F×t=m×V可知，决定发动机推力大小的主要因素，是单位时间内喷出气体的质量和速度乘积，显然，要想达到一定的推力，既可以提高喷射出的气体速度，也可以增加喷射出气体的质量，但其乘积不能变化。

发动机消耗的无效能量，一小部分消耗在加热发动机本体并不断加热周围空气，基本可忽略；而绝大部分被喷射出的气体带走，喷射走的气体带走的能量又可分为两个部分，一个是气体本身被加热而带走的内能，E=C×d×（T2-T1），或者简化为E=d×m×ΔT，其中d为质量温度系数，另一个部分是气体喷射带走的动能，E=1/2 × m × V×V。

此外还有一小部分是燃料燃烧不够充分而丢失的化学能，不过这一点在现代喷气式发动机中基本无需考虑，进一步提高燃烧效率属于高投入接近无回报的研究了。

PS：为何喷射走的气体带走的热能要计算，发动机加热周边空气消耗的热能无需计算，不必多做解释吧

显然，减少无效能量可以从三个方向入手：1、降低排气温度，2、减少排气质量，3降低排气速度。

其中与排气质量、速度相关能量计算可变形为E=1/2 ×（m × V）× V，可以看出，在保持同等推力的情况下，不可能通过减少排气质量的方法减少无效能量。

结论：提高喷气发动机的效率归根结底只有两条出路：1、降低排气速度，2、降低排气温度

进一步思考，如何实现这两点？一个最简单的方法，就是在将燃烧室出来的高温气体，混入大量的冷空气，再喷出，就可以同时达到两个目的，同时由于增加排气质量，虽然降低了排气速度，依然可以保持推力不下降，甚至通过良好的设计，还可以增大推力。

所以，喷气式发动机发展的历程就出来了：

1、最早的版本，就是现代的涡喷发动机的雏形，“简单”的将空气吸入，混油，燃烧，加速排出。

2、为了提高推力，就要增加排气速度，空气吸入后先通过压气机增压，再使用更好的燃料在燃烧室燃烧获得更高的温度，更热的排气，也就有了更高的排气速度。

3、燃烧室温度不能无限上升，材料吃不住，就从压气机额外引出温度稍高的气体冷却燃烧室，结果发现不但温度下去了，在不提高排气速度的情况下推力还增加了。

4、进一步加大冷空气的比例，最后索性单独装个大风扇专门向后吹冷空气作为排气，效率更好（涡扇发动机出现了）。

5、随着涵道比提高（不经过燃烧室的冷空气提供的推力和燃烧后的高温气体提供的推力之比），进气道太大了，干脆就把原来包裹在进气道内的大风扇拿出来，变成了螺旋桨。（涡桨发动机出现了）。

所以喷气式发动机的效率从涡喷、涡扇、涡轴越来越高，排气速度和排气温度越来越低，排气质量越来越高。

但是，为什么不抛弃涡喷发动机呢？

涡扇发动机的一大标志就是那个大风扇，我们知道在相同转速的情况下，半径越大，叶尖的线速度就越大，而当叶尖线速度接近音速时，叶尖阻力会剧增，同时还会带来严重的激波颤动，具体的空气动力学这里不多分析，但是一般来说叶尖线速度不能超过音速太多，还必须使用特殊材料制作，而象涡桨发动机，螺旋桨叶片更长，而考虑成本使用的材料比涡扇的风扇要差，至多也就是持平，使用速度更受限制。

风扇和螺旋桨都是由燃烧室出来的高温燃气冲击涡轮带动的，转速受限--->排气温度受限--->排气速度受限--->推力受限--->飞机最大速度受限。

因此，涡桨发动机只能运行在亚音速，一般不会超过0.6马赫，涡扇发动机只能运行在高亚音速，一般不超过0.85马赫，低涵道比的可以用在跨音速，但在超过1.2马赫以上的超音速领域，就只能用涡喷了，到了3马赫以上，冲压发动机就开始取代涡喷了。

PS：以上划分针对民用发动机，在新一代军用发动机上，也开始使用小涵道比涡扇发动机，由于军机有较长的特殊设计的进气道，和使用更高成本的材料制作叶片，其涡扇发动机使用的速度领域会更广。

除此之外，前文说过，我们认为同一架飞机在安装不同发动机时阻力相同，这实际上是理想化了，同样推力的发动机，涡扇的迎风面积比涡喷大得多，最新一代的民用涡扇发动机Leap直径就已经达到军用同推力涡喷的三倍了，因此飞机选择何种发动机需要综合考虑。