问题

请问中推力涡扇和大推力涡扇有什么区别吗?

回答
说起涡扇发动机,大家脑海里可能会浮现出客机那标志性的巨大发动机吊舱,或者战斗机那喷吐着火焰的尾喷口。在这些五花八门的涡扇发动机里,按照推力的大小,通常会有一个大致的划分,其中“中推力涡扇”和大推力涡扇便是两个常见的类别。它们之间听起来似乎只是个推力大小的差异,但实际上,这种差异背后牵涉到设计理念、性能特点、应用场景等方方面面的区别,绝非简单的一个数字就能概括。

咱们就来好好聊聊,这两者到底是怎么个不同法。

首先,最直接的区分点——推力范围:

顾名思义,“推力”是核心。不过,涡扇发动机的推力并没有一个硬性、全球统一的界定标准。更多的是一种相对的说法,根据不同的应用需求和时代背景会有浮动。但大致可以这么理解:

大推力涡扇 (HighBypass Turbofan): 这类发动机通常指的是那些能够输出超过 20,000磅(约90千牛),甚至达到 50,000磅(约220千牛) 以上推力的发动机。当然,这个数字还在随着技术进步而不断攀升。你可以把它想象成是驱动那些身躯庞大、需要强大起飞推力和巡航动力的大家伙们的核心动力。

中推力涡扇 (MediumBypass Turbofan 或 LowBypass Turbofan 的一部分): 这类发动机的推力范围就相对宽泛一些,通常在 5,000磅(约22千牛)到 20,000磅(约90千牛) 之间。有人也会把推力小于20,000磅的涡扇发动机统称为中低推力涡扇,而中推力则处于这个范围的中上部分。它们通常是那些对推力有一定要求,但又不像大型客机那样“天文数字”的飞机所使用的。

这里需要强调一点,“旁通比”(Bypass Ratio)也是一个非常重要的区分依据,并且往往和推力大小是相辅相成的。

大推力涡扇 通常意味着 高旁通比 (High Bypass Ratio)。旁通比是指由风扇吸入但未经过核心机(燃烧室、涡轮)的空气流量与进入核心机的空气流量之比。高旁通比意味着大部分空气通过外涵道流过,这能显著提高燃油效率,降低噪音,同时产生很大的推力,特别是在亚音速飞行时。你可以理解为风扇像一个巨大的螺旋桨,但被包裹在整流罩里,更有效率。

中推力涡扇 则可能属于 中旁通比 (Medium Bypass Ratio) 或者 低旁通比 (Low Bypass Ratio) 的范畴。低旁通比涡扇发动机的核心机占据了更大的比例,意味着更多的空气经过燃烧室,产生更高的喷气速度,这有助于在音速或超音速下产生更大的推力。而中旁通比则介于两者之间,寻求一种平衡。

其次,在设计理念和性能特点上的差异:

推力大小和旁通比的不同,直接决定了它们在设计上的取舍和最终的性能表现:

大推力涡扇(高旁通比):
设计目标: 主要追求燃油经济性、低噪音、长寿命和高效率。在设计时会把风扇做得非常大,并且让更多空气绕过核心机。
风扇尺寸: 风扇直径通常非常巨大,是发动机最显眼的部分,占据了整个发动机体积的绝大部分。
核心机: 相对来说,核心机(压缩机、燃烧室、涡轮)在整个发动机的尺寸和推力贡献中的比例会小一些,但为了驱动巨大的风扇,核心机的功率输出仍然是相当可观的。
性能特点:
高燃油效率: 在亚音速巡航时,通过高旁通比,发动机可以像一个效率极高的涵道风扇,提供强大的推力同时消耗较少的燃油。这是其最大的优势。
低噪音: 未经燃烧的冷空气(旁通气流)包裹着高温高速的燃气(核心机气流),能够显著降低噪音。
起飞推力大: 即使在低速下,巨大的风扇也能产生强大的空气流量,从而获得强大的起飞推力。
推力系数高: 在低速时,单位进气面积产生的推力较大。
重量和体积: 由于风扇尺寸巨大,整体发动机的重量和体积也较大。
响应速度: 相对于低旁通比发动机,其推力响应速度可能稍慢一些,因为需要推动的空气质量更大。

中推力涡扇(中/低旁通比):
设计目标: 通常是在推力、效率、尺寸和成本之间寻找平衡,有时会更侧重于在一定速度范围内提供足够的推力,或者为了适应特定飞机的气动布局。低旁通比发动机更是侧重于高性能和高空/高速飞行。
风扇尺寸: 相对于大推力涡扇,风扇尺寸会小一些,核心机在发动机中的比例会更大。
核心机: 核心机通常会设计得更加强大,以应对更高的气动负荷和产生更高的喷气速度。
性能特点:
推力密度高: 相对于其体积和重量,可以提供较高的推力,尤其是在中高速飞行时。
较好的推力响应: 尤其是低旁通比发动机,由于推动的空气质量相对较小,推力调整和响应会更迅速。
适应范围广: 可以用于不同类型、不同尺寸的飞机。低旁通比发动机特别适合需要较强高空性能和一定超音速能力的飞机。
燃油经济性: 相对于高旁通比发动机,其燃油经济性通常较低,尤其是在亚音速巡航时。
噪音: 噪音水平通常会比高旁通比发动机高一些。
重量和体积: 相对大推力涡扇,整体重量和体积会小一些,更易于集成到某些飞机设计中。

第三,最直观的应用场景差异:

这些设计和性能上的差异,自然就决定了它们各自最适合“上哪儿去”:

大推力涡扇(高旁通比):
大型客机: 这是它们的“主场”。从波音737NG到777、787,再到空客A320、A330、A350、A380,几乎所有现代干线和支线客机都装备着大推力、高旁通比的涡扇发动机。它们能提供持续、高效的动力,满足长途飞行的燃油需求,并保持相对舒适的客舱环境(低噪音)。
大型运输机: 比如美国的C17“环球霸王III”,也使用高旁通比涡扇发动机,以在重载起降和长途运输中提供强劲动力。
一些大型公务机: 尽管体型较小,但为了追求高效和安静,一些大型公务机也采用了高旁通比的涡扇发动机。

中推力涡扇(中/低旁通比):
军用飞机:
战斗机: 这是中低旁通比涡扇发动机最常见的应用。战斗机需要强大的加速能力、高空高性能以及在音速或超音速下产生可观推力的能力。低旁通比发动机的特点非常契合这些需求。例如,著名的F110、F100、AL31F等都是典型的中低推力涡扇发动机。
教练机: 一些高级教练机也使用中推力涡扇发动机,用于飞行员的战斗机训练。
一些早期或小型军用飞机: 比如一些军用运输机或侦察机也可能使用推力中等的涡扇发动机。
区域性支线客机: 一些座位数较少、航程相对较短的支线客机,可能会选择中推力涡扇发动机,以兼顾性能、经济性和成本。
公务机: 相较于大型公务机,中小型公务机可能更倾向于使用中推力涡扇,以实现更灵活的设计和较低的购置成本。
无人机(大型/高速): 一些大型或需要高速飞行的无人机,也可能采用中推力涡扇发动机。

简单来说,可以把这种区别想象成:

大推力涡扇就像一辆大型的货运卡车,拥有巨大的“马力”(推力)和优秀的“载重能力”(燃油效率),非常适合长途、重载运输。
中推力涡扇更像是高性能跑车或者紧凑型SUV,它们在“速度”和“灵活性”(推力响应和机动性)上可能更占优势,虽然燃油经济性或绝对推力不如大型卡车,但更适合在城市、山路等复杂地形穿梭,或者满足特定场景下的高性能需求。

当然,航空发动机技术日新月异,界限有时也会变得模糊。比如,随着技术的进步,一些原本被认为是中推力的发动机,其性能指标也可能接近了过去大推力发动机的水平。但总体而言,从旁通比、设计侧重点到应用场景,这两者之间的区别还是相当鲜明的。理解了这些,你就能更好地理解为什么不同类型的飞机要配备不同类型的发动机了。

网友意见

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先要注意,评价一款发动机,推重比不是唯一的因素,推力往往对飞机这一整体很重要,直接影响了飞机的性能。同样推重比为10的大推和中推,输出推力却有差别,技术难度也是不一样的(同为一个国家的3代机发动机,中推rd33(7.87)与F404(7.83)推重比相比大推al31f1(7.14)和F110(7.28)大出一截)。

评论区有“专业人士 @目赤不动”认为发动机推力大小无关紧要,觉得影响战斗机性能的是发动机推重比,而非推力。

这里我引用一组数据出自:

方昌德. (2000). 21世纪战斗机动力. 航空知识(3), 30-30.



由上图可明显看出,使用F404(推重比7.83,加力推力79.00kn)的F18在爬升上明显弱于使用F110(推重比7.28,加力推力128.9kn)的F15与16。

其原因则是F110虽然推重比不高,却带来更大绝对推力,再加上空军飞机比海军飞机重量上更占优势,使得F15与16整机推重比达到1.14和1.06,在爬升性能上优于0.89的FA18。

决定战机性能的是战机这一个整体,而非发动机推重比,飞机整体推重比是受推力与整机重量影响的,推力只来自于发动机,而发动机重量只是整机重量的一部分,从其他地方减重来实现飞机整体推重比的提升也是完全可能的。

因此发动机净推力,以及推力曲线也是重要因素(并非指发动机推重比不重要,而是不要只看重发动机推重比而忽略了推力)。

三代以后的战机,通常重型机用双大推

伪重型(超虫,肥电),中型一般是单大推或者双中推

轻型则一般是单中推,或者双小推。

大推和中推的交集一般就是在中型机上。

先说说大推:

顾名思义,大推,推力大,个头重量往往也大。优点很明显了,它有比中推更大的推力,但是由于使用的是大尺寸涡轮叶片和压气机,高速旋转的时候要受到更大的力,因此对于材料和设计的要求几乎是指数倍的提高,工业能力的强弱直接决定了单晶叶片的尺寸,大尺寸叶片共振问题的解决,则反映了设计的能力。

中推难度则要小一些,因此欧洲很多国家发展发动机选择中推来突破。

以中型机为例,双中推虽然带来了与单大推相同甚至是超出的动力,但是油路和管线也是双份的,严重挤占内油空间。 优点则是中推由于尺寸小,双中推的飞机一般后机身不会像单大推那样臃肿,同时在连续机动的时候不需要像单大推那样长时间大推力输出,因此连续机动要好一些。

因此,一般来说单大推的中型机航程上有优势,双中推则是机动能力上有优势。

技术难度上,大推研发和设计难度更大,研发投入更高,耗时更长,中推这些难度都小一些。

欧洲国家搞中推是完全满足国家需求的,中美俄这样的大国大推是必须的,但是中推在外销的机型上更受欢迎,所以大国一般都是走大中推双修路线。

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