噴氣渦輪機的推重比上限能到20嗎?

2021-02-15 瀚海狼山

全球正在使用的所有渦扇噴氣發動機和渦噴噴氣發動機,其實都是渦輪機;實際上包括船用燃氣輪機,渦槳航空發動機和直升機上用的渦軸發動機,也都是渦輪機。當然後三者主要通過中間軸來輸出動力,不以噴氣反推獲得動力為主要目標。因此對它們三者的主要考察指標是功重比而不是直接看噴氣獲得反推力的大小。如果單單看推力,那麼在40年前就研發成功的GE90這種具備大直徑風扇的大涵道比渦扇發動機,在臺架實驗中已經表現出直接推力達到56噸級的世界紀錄。到目前仍然沒有被打破。那麼說到這裡,是否就已經表明全球噴氣渦噴類發動機的推力上限就是56噸呢?其實如果有必要,那麼這個56噸的極限推力肯定是會被直接打破的。瀚海狼山(匈奴狼山)真正要說的,其實是噴氣渦輪機的推重比,

上限到底會達到多高的問題。大渦扇的推力巨大,主要是靠主風扇向後扇動的空氣流量巨大。對噴氣渦輪機來說,最終推力的大小由兩點決定:第一就是往後噴的氣流的速度大小,另外就是這股往後噴的氣流的流量的多少。噴氣的速度越快,單位時間內的流量越大,則獲得的反推力自然越大。看很多噴氣發動機開加力試車時,都會發現其尾焰中出現了馬赫錐的現象。這種現象在渦輪噴氣發動機和火箭發動機的噴流中都有。只要出現馬赫錐,則說明噴流的速度已經超過了音速,而且可能是數倍音速。而航空大渦扇由於沒有後燃器,因此幾乎無法噴出馬赫錐。但是大渦扇的實際推力仍然很大,主要是靠前風扇加外涵道產生的向後空氣流量巨大。但大渦扇本身的發動機全重也相對很大,因此其單純看實際的推重比,

無後燃器的大渦扇。還是無法達到軍用大推的10,和軍用中推的11以上這些高推重比。而當前的任何噴氣渦輪機的推重比和火箭發動機對比,包括固體火箭發動機和液體火箭發動機,則差距更加巨大。昨天已經說過,固體火箭發動機的實際推重比可以高達50到100以上。而液體火箭發動機的推重比則更高。目前已經有達到155的級別。也就是2噸的液體火箭發動機可以產生300噸以上的淨推力。當然,所有液體火箭發動機都必須在前面同時攜帶巨大的燃料和氧化劑箱,因此對整體的液體大火箭來說,絕不會到155的推重比這麼誇張。大部分大火箭,實際起飛段和爬升段推重比在1.2到1.5之間就已經相當不錯了。不過狼山認為,液體火箭發動機的高推重比,可以給噴氣渦輪機的增推,提供一個新思路。這就是液體大火箭也有渦輪,也可以看成一種特殊的噴氣渦輪機。只不過這種特殊渦輪機同時攜帶燃料和氧化劑。

而普通的渦扇和渦噴則可以看做只攜帶了燃料而需要從外界吸收氧氣助燃的特殊「液體火箭」。而且不論火箭還是渦輪機,內部燃燒時的最高溫度,基本都沒有超過3000攝氏度,也就是沒有超過鎢合金的材料熔點。因此在液體火箭發動機的最大推重比可以高達155的情況下,未來的渦噴和渦扇的最高推重比還是大有潛力可挖。在未來20年內,從目前的最大不超過14,升級到20以上還是很有可能的。

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