哈英如今不時興了，哈德還是大有人在。這本來不成問題，但在渦輪發(fā)動機的技術(shù)路線上，這還真是一個問題。在這里，渦輪發(fā)動機泛指包括渦噴、渦扇、渦槳、渦軸的所有渦輪類發(fā)動機。
大部分螺旋槳飛機都是拉進式螺旋槳
用推進式螺旋槳的也有，但很罕見
在飛行的萌芽時代，噴氣式推進問題就得到研究。螺旋槳需要外來動力驅(qū)動，在早期，活塞式內(nèi)燃機是唯一現(xiàn)實的動力來源。螺旋槳有前置的拉進式和后置的推進式，拉進式是主流，這不是偶然的?；钊桨l(fā)動機需要良好的冷卻。拉進式螺旋槳的氣流自然流過發(fā)動機，即使在靜止或者低速飛行狀態(tài)，依然能保持良好的冷卻。但拉進式螺旋槳近圓心處必然被發(fā)動機和機體遮擋，這里是純阻力。發(fā)動機功率越大，圓心的“死面積”越大，阻力越大。這個問題是無解的。
推進式螺旋槳沒有圓心阻力問題，但在靜止和低速飛行狀態(tài)下，拉動的氣流速度通常不足以冷卻發(fā)動機，容易導(dǎo)致過熱。另外，推進式螺旋槳如果設(shè)置在機尾，起飛拉起時容易觸地，起落架卷起的異物也容易擊中螺旋槳，造成損壞。
很早就有將機身做成涵道螺旋槳的設(shè)想，這樣，空氣在涵道內(nèi)加速，沒有圓心阻力的問題，但動力問題不容易解決。很快，涵道螺旋槳的推進方式不了了之了。但是，噴氣發(fā)動機在某種意義上可以看作涵道螺旋槳的高度發(fā)展，螺旋槳與動力合為一體了。
惠特爾和他發(fā)明的噴氣式發(fā)動機
奧海恩（左）和惠特爾（右）在戰(zhàn)后研究惠特爾的發(fā)明
渦輪噴氣發(fā)動機是在二戰(zhàn)前夜發(fā)明的，在戰(zhàn)時投入使用的。首先問世的是渦輪噴氣發(fā)動機，這也可以看作是所有渦輪發(fā)動機的基礎(chǔ)。英國人弗蘭克·惠特爾在1937年首先發(fā)明渦噴，德國人漢斯·馮·奧海恩首先把渦噴實用化，在1939年裝上亨克爾He 178實現(xiàn)了首飛。1944年，噴氣式的梅塞施密特Me-262投入戰(zhàn)斗。同年，英國格洛斯特“流星”也開始服役，但只有有限使用。
Me-262從外觀到性能都是革命性的
格洛斯特“流星”則相對保守，可以看到，發(fā)動機要粗一圈，但也短一截
Me -262和“流星”如果在空中相遇，誰會勝出，這已經(jīng)是一個穿越性的問題了。在現(xiàn)實中，Me-262在1944年4月投入使用，并馬上大量投入戰(zhàn)斗。“流星”在3個月后的7月投入使用，但只用于英倫三島的國土防空，尤其是攔截德國V-1導(dǎo)彈。直到1945年1月，“流星”才開始在歐洲大陸有限部署，而且在開始時嚴禁飛入德軍防區(qū)，生怕落入德軍或者蘇軍之手。這也是德國空軍出的氣比進的氣多的時候了，“流星”只有對地掃射中的擊毀德機戰(zhàn)績，沒有空戰(zhàn)戰(zhàn)績。最大的威脅反而是盟軍防空火力誤把“流星”當作Me-262了，畢竟那時噴氣式戰(zhàn)斗機很少，官兵沒怎么見過“流星”，一聽到尖利的噴氣發(fā)動機，就當作Me-262了。
惠特爾和奧海恩是在互不知情的情況下獨立發(fā)明噴氣發(fā)動機的。在戰(zhàn)云密布的戰(zhàn)前最后年代，噴氣發(fā)動機的研發(fā)也是高度機密的，雙方不存在互相抄襲的可能性。有意思的是，兩人的發(fā)明導(dǎo)致了英國和德國采用了不同的技術(shù)路線。英國渦噴采用的是離心式壓氣機，德國渦噴采用的是軸流式壓氣機。
渦輪發(fā)動機的燃燒室里實際上是等壓燃燒，升溫但并不增壓。升溫使得熾熱的燃氣在膨脹的同時，向后流動，形成推力。保證氣流向后流動的是壓氣機，壓氣機的最終壓力越高，渦噴的效率越高。
間隙工作的壓氣機可以用活塞式，但連續(xù)工作的壓氣機只有離心式和軸流式。離心式用高速旋轉(zhuǎn)的離心力達到增壓。離心式壓氣機采用像收腰的火山一樣逐漸收尖的葉輪，葉片沿著山坡方向，可能是盤旋下山而不是直線下山的，進氣在山尖，排氣在山腳，用環(huán)腔收集后導(dǎo)出。用在離心式壓氣機上，火山是“側(cè)立”起來的，山尖沖著進氣方向。為了增加效率，還可以采用雙面葉輪，這樣火山就背靠背了，底盤連接到一起。
軸流式則是像多級串聯(lián)的電風(fēng)扇，同樣達到增壓的作用。這是用每一級的葉片在相對于旋轉(zhuǎn)平面的角度“刮壓”氣流產(chǎn)生的增壓。
格洛斯特“流星”使用的羅爾斯-羅伊斯“德文特”
典型的離心式壓氣機
Me-262使用的Jumo 004，容易看到，比“德文特”要“瘦”多了
典型的高低壓軸流式壓氣機及其渦輪
離心式的結(jié)構(gòu)簡單，在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有較高的增壓效率，可以達到很高的出口壓力，但工作流量較小，很難串聯(lián)，一般只有一級，最多兩級，更多級數(shù)結(jié)構(gòu)急劇復(fù)雜，而增壓效果不再明顯。離心式的增壓效率還取決于葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑，到一定程度后，離心力對葉輪的影響太大。另外，氣流前進途徑轉(zhuǎn)折較多，動能損失較大。所以離心式的門檻低，天花板也低。
軸流式的特點反過來，工作流量大，氣流路線直線前進，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單級增壓比低，轉(zhuǎn)速對增壓效率的影響較大。軸流式最大的好處在于易于多級串聯(lián)，天花板比離心式大大提高，但門檻也提高了。
對于飛機上的應(yīng)用來說，離心式比較短小，重量輕，但直徑大，迎風(fēng)阻力大；軸流式正好反過來。
典型渦輪增壓，中間的發(fā)動機沒有畫出來
英國的離心式路線是從英美的渦輪增壓技術(shù)自然發(fā)展而來的。渦輪增壓是活塞式發(fā)動機增加馬力的有效方法，發(fā)動機排氣驅(qū)動渦輪，渦輪帶動離心式壓氣機，增壓發(fā)動機進氣的壓力和含氧量，增加發(fā)動機的出力。在活塞式發(fā)動機時代，這是高空性能的關(guān)鍵?？諝庀”〉母呖帐沟冒l(fā)動機排氣背壓降低，渦輪出力增加，正好補償進氣不足的問題。英美的渦輪增壓技術(shù)是英美戰(zhàn)斗機的高空性能壓倒德日戰(zhàn)斗機的關(guān)鍵。渦噴只是把壓氣機和渦輪之間的活塞式發(fā)動機用環(huán)罐燃燒室代替了。
德國的活塞發(fā)動機也用增壓，但這是機械增壓，由發(fā)動機通過傳統(tǒng)軸直接帶動壓氣機，一般是魯茨型或者伊頓型，前者采用兩個花生形的轉(zhuǎn)子互相擠揉，好像捏面團一樣；后者用螺桿。機械增壓在發(fā)動機轉(zhuǎn)速和出力較低的時候更加有效，但最大功率時，反而“吃”功率。英美也用機械增壓，常常和渦輪增壓聯(lián)合使用，形成雙增壓，較好地涵蓋了低空低速到高空高速的整個范圍。高空高速性能不給力是德國全力發(fā)展噴氣發(fā)動機的重要原因。相反，英美這方面的壓力不迫切，加上戰(zhàn)爭后期歐陸空中形勢大好，所以不著急，“流星”投入使用了都不急著上戰(zhàn)場。
盡管梅塞施密特Me-262搶先大量使用，還有亨克爾He-162、阿拉多Ar-234（后者是歷史上第一種噴氣式轟炸機），德國的軸流式壓氣機并不算成功，部份原因就在于門檻高于時代所能提供的使用條件。機械故障除外，發(fā)動機部件燒融的事情很多，發(fā)動機的加減速性能很糟糕，結(jié)果Me-262起飛、著陸時，必須出動Me-109或者FW-190升空保護，防止盟軍偷襲。
羅爾斯-羅伊斯“尼恩”，容易看到離心式壓氣機的葉輪
米格-15打出了米格的天空
相反，英國的離心式壓氣機在早期相當成功，不僅“流星”的發(fā)動機在戰(zhàn)后初期輕易增推幾乎一倍，羅爾斯-羅伊斯“尼恩”在蘇聯(lián)按照許可仿制、改進后，裝備米格-15，造就了一代名機，也開創(chuàng)了蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機的時代。
但進入50年代后，超音速成為新的標桿，離心式的問題馬上也出來了。推力難以進一步提高，因為更大的推力來自更大的空氣流量，而離心式不適合大流量。另外，較大的直徑使得迎風(fēng)阻力太大，不適合用于對阻力特別敏感的超音速飛機。此后，軸流式取代離心式，成為噴氣發(fā)動機的主流。
但是，凡是總是有個但是。離心式結(jié)構(gòu)簡單、增壓效率高的特點在直升機上特別適合，發(fā)動機直徑稍大對于直升機也不是太大的問題，所以直升機上的渦軸用離心式壓氣機很多，傳奇式的通用電氣T700就是，全新的深度改進型T901也是，在相同的尺寸、重量下，功率增加50%，油耗降低25%，壽命延長20%，充分說明了離心式的生命力。
T700結(jié)構(gòu)緊湊，功率強大，一部分原因就是歸功于離心式壓氣機
典型的軸流-離心式壓氣機，顯示了前面的低壓軸流式壓氣機和后面的高壓離心式壓氣機，這里還顯示了逆流式燃燒室，離心式壓氣機的出氣進入燃燒室后，調(diào)轉(zhuǎn)180度燃燒膨脹，然后再調(diào)轉(zhuǎn)180度進入渦輪，這樣長度進一步縮短，但動能損失較大
IDF的F125也是軸流-離心式壓氣機，這是非加力版的F124，與F125的差別就是一個加力燃燒室
IDF一看就是秀秀氣氣的，連拉煙都是那么文雅
不過T700/901不是簡單的離心式，而是軸流-離心混合式，用較小的軸流式作為低壓的前級，用離心式作為高壓的后級，既利用軸流式在低壓段的效率最高的優(yōu)點，又利用離心式的在高壓段依然具有較高增壓比的優(yōu)點。由于軸流式的轉(zhuǎn)速較高，離心式的轉(zhuǎn)速較低，單轉(zhuǎn)子就可以兼顧兩者的最優(yōu)效率轉(zhuǎn)速，進一步簡化了結(jié)構(gòu)。嘉萊特TPE731小渦扇也是用軸流式低壓壓氣機加離心式高壓壓氣機的組合，同樣是單轉(zhuǎn)子，但用齒輪減速驅(qū)動風(fēng)扇，這算是第一種齒輪減速渦扇了。TPE731的加力型就是臺灣IDF戰(zhàn)斗機上用的F125。
不過F124要像T700那樣增推不容易。渦軸增加功率的關(guān)鍵在于提高壓氣機的出口壓力，但渦扇要大幅度增推，關(guān)鍵在于提高空氣流量。到一定程度后，離心式不適合大流量的問題又回來了。另一方面，直升機發(fā)動機的功率要求相對于戰(zhàn)斗機或者大型客機來說畢竟是較低的。作為參照，已經(jīng)逆天的通用電氣T901的功率只有MV-22的羅爾斯-羅伊斯T406的一半不到，核心發(fā)動機來自羅爾斯-羅伊斯AE3007/2100系列，但AE3007是小渦扇，只有30-45kN級，用于小號公務(wù)機、波音MQ-25“黃貂魚”和諾斯羅普RQ-4“全球鷹”無人機，AE2100則用于洛克希德C-130J和C-27J運輸機，后者是雙發(fā)，前者是四發(fā)。AE3007/2100已經(jīng)使用軸流式壓氣機了。
典型的微型渦噴
離心式壓氣機在微型噴氣發(fā)動機上也使用較多，用于巡航導(dǎo)彈、無人機、模型飛機等。
另一方面，軸流式迎風(fēng)面積小的優(yōu)點在大涵道比渦扇上被有意無視了，動輒8：1、10：1甚至12：1的涵道比使得風(fēng)扇的迎風(fēng)面積巨大，這當然是為高亞音速飛行而優(yōu)化的，但在某種意義上是對涵道螺旋槳的回歸。
而新一代大涵道比渦扇又不在乎迎風(fēng)面積了
哈英還是哈德？英德本來不分嘛，溫莎王室來自漢諾威，德國主導(dǎo)的歐盟則以英語為工作語言，英中有德，德中有英，這樣更加和諧嘛。
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