@ 2015.08.04 , 08:30
25

为什么老款喷气机要拖那么大的黑烟?

[-]

喷射时代的黎明给主要机场附近的天空挂上了浓厚的黑烟尾迹。由于喷射引擎的持续创新,这些黑羽状废气在大气层中已基本消失。这里是自从喷射引擎在差不多75年前发明以来,它们在视觉和生态特征上惊人变化的故事。

喷射引擎是上世纪最大的技术变革之一。它们对运输的加速超越了以前的任何事物,以至引发了现代文化和社会的变迁。但并非所有喷射引擎都是一样的。

众所周知有些飞机,特别是老式飞机,比其它飞机产生更多可见排放。不管你是更关心技术进步还是环保,看看自从喷射动力飞机首飞以来发生了什么变化都是很有意思的。

[-]
一台喷射引擎排放中的可见部分是高度压缩的空气、非常高的温度、燃烧后的燃料的结果,在某些烟特别浓的极端情况下,还来自注入混合物的水。下面就是众所周知很多老式喷射引擎尤其在起飞时,会比新型号冒出更多漆黑刺鼻烟雾的原因。

涡喷、涡扇和旁通

第一种进入广泛商业应用的喷射引擎是涡轮喷射引擎,它们的设计中没有纳入旁通。旁通在本质上就是绕过引擎核心机的空气。涡喷引擎就其性质而言,没有空气从旁通过引擎,而是全都进入系统。

[-]

一台涡喷实质上就是一台涡轮风扇的引擎核心机。涡喷由压缩机段和燃烧室段组成,空气被压缩增加密度,然后被挤进燃烧室。在那里稠密的空气与燃油混合并被点燃。燃烧产生力量转动核心机后方的涡轮。

所以,在涡喷上所有的空气都通过压缩机,根本就没有旁通。现在我们再看涡扇。

[-]

有旁通的涡扇和涡喷之间的区别正如其名称所指,一些空气会从引擎核心机(也叫做热端部件,因为那里就是燃烧发生的地方)旁通过。

在低旁通(或称涵道比)涡扇设计中,引擎核心机进气口和引擎罩外部之间的空间比高涵道比涡扇引擎更小。这使得低涵道比涡扇能装进更小的物理尺寸,对于小型战斗机来说很理想,但这种设计的效率没有高涵道比型号高。

[-]
B-52同温层堡垒在飞行中

低涵道比比高涵道比更早出现,而且因为前面提到的较小物理尺寸、使用加力燃烧器的能力、运行在超音速的能力、以及更高的推重比,至今仍然在军用飞机上广泛使用。

美国空军花费巨大代价在B-52H轰炸机上维护着相对低效和声名狼藉地烟熏的低涵道比涡扇,无视很多用高涵道比涡扇替换机队引擎的提案。B-52预期还要在美国空军再持续服役几十年。

[-]
基于波音707的北约 E-3A哨兵预警机

德高望重的波音707在其历史上涡喷低涵道比涡扇高涵道比涡扇引擎都装过。707在1957年初次飞行,是波音史上第一架喷射动力客机。在随后的三十年间建造了超过一千架商用和军用(包括E-3哨兵预警机KC-135同温层油箱空中加油机)的不同变种,其中许多今天仍在服役。

一台涡扇的涵道比用数字来表示,普惠JT3D(1959年首次试飞)低涵道比涡扇有1.42:1的涵道比,相比之下,现代的普惠PW4000高涵道比涡扇的涵道比是5.3:1,它在不同的现代客机中都有使用,包括空客A330波音747波音777。更大的数字表示旁通过引擎核心机的空气比例更大。

除了冒出很多滚滚浓烟,涡喷和低涵道比涡扇还能安装加力燃烧器使过热空气和燃料产生更猛烈的燃烧。

[-]

加力燃烧器安装在引擎核心机下游,通过向废气流倾倒燃料再次加热废气。这么干耗油很快,所以加力燃烧器一般只在超音速飞机上才有。

值得注意的是,有些先进飞机能够无需使用加力燃烧器就达到超音速飞行。这叫做超音速巡航,美国空军F-22A猛禽空优隐形战斗机就已知有此能力。俄国的T-50/PAK-FA第五代隐形战斗机很可能也有此能力。其它有超音速巡航能力的飞机包括欧洲战斗机EF2000和某些条件下的萨博JS-39E/F狮鹫战斗机

水注入

低涵道比引擎是不比高涵道比引擎有效率,但需要为老式飞机拖着黑色烟柱飞上天的怪异景象负大部分责任的技术是水注入。

飞机上的水注入技术和涡轮增压汽车上的水注入系统工作原理相同。涡喷和涡扇中的这个想法是通过往进气中喷洒去离子水来冷却引擎核心机。这样做的效果能降低整个引擎核心机的温度,并增加排气的质量,从而增加推力。

因为引擎核心机被注入的水冷却,燃烧室无法完全燃烧燃料和水的混合物,所以一些燃料颗粒和水被排出引擎,形成标志性的黑烟。

水注入系统通常在起飞时使用以产生额外的推力。一旦升空,水注入系统在接下来的飞行中都保持关闭。

B-52同温层堡垒起飞和爬升时的黑烟早已名声在外。这架传奇性的轰炸机最初配置8台带水注入的J57涡喷,但H型(至今仍在服役)接受了升级过的TF33低涵道比涡扇,这是在一些707上也有使用的普惠JT3D的军用变种。TF33也使用在美国空军冷战时期的C-141运输机上。

[-]
2009年一架鹞式战斗机在俄勒冈州波特兰冒烟转弯

有垂直起降能力的鹞式战斗机在其罗罗飞马座引擎中使用水注入来增加起飞性能。鹞式能携带多达50加仑蒸馏水,足够向燃烧室注水约90秒。

下面视频显示B-52轰炸机注水进行最小间隔起飞(MITO)演练。这画面当然令人印象深刻,但操练中冒出的黑烟数量才是真正超凡脱俗。

尽管注水引擎在近几年的新飞机中已经失宠,该技术在某些圈子里看似仍有希望。就在两年前,通用电气还在为波音777X使用的GE9X高涵道比涡扇引擎考虑过水注入系统。再往前,NASA、波音和罗罗的研究者在2004年一篇论文中指出:

“水注入减排技术能减少起飞时排放的氮氧化物超过50%,并有可能减少飞机的运营成本。提高引擎热端部件寿命的好处应能超额补偿飞机系统重量和性能的轻微损失。水注入应该最好只在起飞和一部分爬升期间使用。这对低于最大起飞总重(例如客座率少于100%)运营的飞机会是有价值的操作规程。”

所以,低涵道比涡扇和水注入是老式喷射引擎往往比新喷射引擎冒更多烟的罪魁祸首。当然,任何喷射引擎,不论新旧,总还是会有其它原因会导致排烟。喷油嘴或引擎核心机里与燃烧阶段相关的任何其它部件脏了,都可能抵消机器其余部分的效率,并导致排出更多黑烟。

大涵道比涡扇引擎的现代飞机尽管仍在向大气层释出大量碳排放,它们不再像早期喷射引擎那样在空中拖黑烟。喷射引擎技术在减少可见的大气污染上已走过漫长道路,虽然没有了黑烟缭绕的尾迹,起飞场面不再那么戏剧化,但我们因此成为更好的环境监护人。

本文译自 Jalopnik,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

2.6
赞一个 (16)

TOTAL COMMENTS: 25+1

  1. 游客
    @2 years ago
    2887181

    tenga

  2. 易知难
    @2 years ago
    2887183

    标题看成老式拖拉机

  3. 2887184

    炫酷到看不懂

  4. 2887186

    难得的好文章,虽然看不懂

    [43] XX [1] 回复 [0]
  5. 吃货
    @2 years ago
    2887187

    学习了,,水注入

    [11] XX [0] 回复 [0]
  6. 绝念梦依然
    @2 years ago
    2887189

    难道不是因为烧的柴油么(づ ̄3 ̄)づ╭❤~

  7. duckula
    @2 years ago
    2887194

    bypass的设置起到什么作用?大涵道比的效率高,那类推下去的话应该是涡喷的效率比涡扇高才对呀(涵道比无穷大)

  8. 2887203

    注水会使燃料燃烧不充分 为什么还有可能缩减运营成本

  9. 2887211

    @duckula: 涡喷没有涵道比的,空气进去混合燃烧后直接往后产生推力。涡扇通过燃烧室带动轮轴,驱动全面的风扇产生冷空气的推力,通常通过冷气室的气流产生的推力和燃烧室产生的推力的比例,就成为涵道比。

    其实飞机性能力还有个很重要的参数是推重比,推力/重量;决定你飞机装了这种发动机后,能装多少东西。

  10. 神响
    @2 years ago
    2887215

    值得收藏

  11. 我帅我先说
    @2 years ago
    2887218

    看不懂,挺高端的。

  12. 绝念梦依然
    @2 years ago
    2887221

    @王丢兜: 恶搞而已

  13. catdog
    @2 years ago
    2887229

    每个字都懂

  14. 2887236

    @duckula: 涡喷的涵道比是0
    @: 增加核心机寿命的节约大于油耗开销

  15. 2887281

    C-5银河

  16. 2887288

    未来的飞机都会用电动涵道,纯清洁能源!

  17. 扬帆大海
    @2 years ago
    2887335

    @: 单位油量可以产生更多推力,比如原来一分钟进去燃油100L,烧掉90L,推力100kN,水注入后,一分钟进去燃油100L,烧掉80L,推力130kN。还是赚了推力.

  18. 2887514

    好文章,科技扫盲贴!

  19. 2887592

    电动的要全部替代,至少还需要五十年时间。

  20. 汤圆
    @2 years ago
    2887646

    最后那视频是什么老电影的片段吧?美军的军服真漂亮。

  21. sarcophile
    @2 years ago
    2887769

    我盘子里的牛肉也是水注入技术的。。。

  22. 病病毒
    @2 years ago
    2887854

    配图棒。

  23. chenqi
    @2 years ago
    2888776

    我一直认为注水的目的是为了提高 高压压缩机组的工作效率
    空气被压缩后会升温,高温气体会抑制进一步压缩,通过降温手段进行更进一步的气体压缩。

  24. 神之疯神
    @2 years ago
    2888890

    @chenqi: 都是

发表评论


24H最赞