涡轮发动机，也被称为Turbine，是一种高效能的发动机类型，其工作原理是通过旋转机件从流体中汲取动能。这种发动机属于内燃机范畴，广泛应用于飞机、大型船舶以及车辆等领域。
涡轮发动机的核心构造包括进气道、压缩器、燃烧室、涡轮节以及排气节。其独特的工作机制使得推力产生更加高效，通过增加空气流速实现。相较于传统的往复式发动机，涡轮发动机具有显著的优点，如低振动、提升飞机性能、高可靠性以及简便的操作方式。
涡轮发动机的分类
涡轮发动机，根据其使用的压缩器类型，可分为三类：离心流式、轴流式和离心轴流式。在离心流式发动机中，空气通过加速后，以垂直于机器纵轴的方向排出，从而实现压缩。轴流式发动机则通过一系列旋转和平行于纵轴移动的固定翼形来压缩空气。而离心轴流式设计则结合了这两类压缩器的优点，以满足特定的压缩需求。
此外，涡轮发动机的类型还取决于空气在发动机中的流动路径和产生的功率方式。飞机上常用的涡轮发动机主要有四种：涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机和涡轮轴发动机。
涡轮喷气发动机的工作原理是通过压缩器将空气高速引入燃烧室，燃油与空气混合后点燃，产生的膨胀气体驱动涡轮旋转，进而通过轴连接到压缩器，维持发动机的运行。这种发动机的排气提供推力，是飞机推进的主要动力来源。然而，涡轮喷气发动机在低速时的性能受限，且对油门的反应较慢。
涡轮螺旋桨发动机则是一种特殊的涡轮发动机，它通过减速齿轮驱动螺旋桨。这种发动机的排出气体驱动一个动力涡轮机，再通过轴和减速齿轮组件连接，以驱动螺旋桨。这种设计使得螺旋桨能在低转速下获得最佳性能。涡轮螺旋桨发动机结合了涡轮喷气发动机的高效与往复式发动机的低速性能，因此在特定速度范围内具有较高的燃油效率。
而涡轮风扇发动机则是一种结合了涡轮喷气发动机与活塞发动机优点的发动机类型。其工作原理与涡轮喷气发动机相似，但增加了风扇部分，使得在高速飞行时能提供更高的推力。同时，在低速飞行时，由于风扇的冷却作用，发动机的冷却效果也得到了改善。
涡轮风扇发动机的独特设计融合了涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机的诸多优点。其核心在于通过巧妙转移燃烧室周围的次级气流，从而产生额外的推力。这种设计不仅增强了推力，还有助于冷却发动机并抑制排气噪音。正因如此，涡轮风扇发动机在巡航速度和燃油消耗方面都表现出色，实现了高效与低耗的完美结合。
在涡轮风扇发动机中，进气道空气被巧妙地分成两股：一股气流经过发动机中心，另一股则从发动机中心旁路通过。这种独特的设计使得该发动机被称为“双路式涡轮喷气发动机”。而函道比，即通过风扇的气流与通过发动机中心的气流之比，是衡量涡轮风扇发动机性能的重要指标。
此外，涡轮轴发动机也是一种常见的喷气发动机类型。与涡轮喷气发动机不同，它主要将动力传递到一个不驱动螺旋桨的轴上。这种发动机的特点是膨胀气体产生的大部分能量都用于驱动涡轮，而不是直接产生推力。因此，许多直升飞机以及大型飞机上的辅助动力装置都广泛采用这种涡轮轴发动机。
在对比不同类型的发动机性能时，需要注意一些关键因素。例如，对于往复式发动机和涡轮发动机的比较，必须使用适当的马力单位，如推力马力对于涡轮发动机而言更为合适。同时，飞机设计配置和大小的一致性也是确保准确比较性能的基础。
- BHP，即制动马力，是指实际传递到输出轴的马力，也就是实际可用的马力。
- 净推力，专指涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机所产生的推力。
- THP，推进马力，是涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机产生的推力的等效马力。
- ESH，对于涡轮螺旋桨发动机而言，是指传递到螺旋桨的轴马力（SHP）与排气产生的推进马力之和，即等效轴马力。
接下来，我们将通过图表展示四种发动机类型——往复式发动机、涡轮机与螺旋桨的组合（即涡轮螺旋桨发动机）、涡轮风扇发动机以及纯粹的喷气发动机（即涡轮喷气发动机）——的净推力如何随空速增加而变化。请注意，此图仅用于说明目的，并不针对特定型号的发动机。通过描绘每种发动机的性能曲线，我们可以观察到不同发动机类型对飞机最大速度的影响。然而，由于此图仅用于对比目的，因此并未包含净推力、飞机速度和阻力的具体数值。
四种发动机在净推力方面的对比揭示了它们各自的性能优势。在空速较低的范围内，往复式发动机表现优异，超越了其他三种发动机。随着空速的增加，涡轮螺旋桨发动机在直线C左侧范围内胜出涡轮风扇发动机。而在更高的空速下，涡轮风扇发动机则在直线F左侧范围内胜出涡轮喷气发动机。当空速进一步增加时，涡轮风扇发动机在直线B右侧范围胜过往复式发动机，同时在直线C右侧也胜过涡轮螺旋桨发动机。此外，涡轮喷气发动机在直线D右侧胜过往复式发动机，在直线E右侧胜过涡轮螺旋桨发动机，并在直线F右侧胜出涡轮风扇发动机。
飞机阻力曲线与净推力曲线的交点标志着最大飞机速度的存在。从每个交点到图示横轴的垂直线可以看出，装配涡轮喷气发动机的飞机能够达到比其他类型发动机更高的最大速度。同样，装配涡轮风扇发动机的飞机也能达到比装配涡轮螺旋桨或往复式发动机更高的最大速度。
此外，涡轮发动机仪表对于监测和评估发动机状态至关重要。这些仪表不仅显示润滑油压力、润滑油温度、发动机速度等常规信息，还提供发动机压力比、涡轮机输送压力和扭矩等关键数据。同时，燃气涡轮发动机还配备了多个温度敏感仪表，称为热电偶，它们向飞行员提供涡轮节内部和周围的温度读数，以确保发动机的安全运行。
发动机压力比仪表是用于指示涡轮喷气或涡轮风扇发动机输出功率的重要设备。它通过测量涡轮机排气压力与压缩段进气压力的比值来反映发动机的性能。而排气温度也是燃气涡轮发动机运行中的一个关键参数，必须密切监视以防止涡轮叶片和其他排气部件的过热。通过使用排气温度表，飞行员可以及时了解发动机的总体运行状况并采取必要的措施确保安全运行。
EGT系统的变体因温度传感器的位置而异，其名称亦有所不同。常规涡轮机温度传感仪表包括涡轮进口温度(TIT)表、涡轮出口温度(TOT)表、涡轮级间温度(ITT)表以及涡轮燃气温度(TGT)表。
此外，扭矩计在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机中发挥着关键作用，用于测量发动机的输出功率。扭矩是轴上的扭转力，而扭矩计则负责测量作用于轴上的功率。这些发动机专为产生驱动螺旋桨所需的扭矩而设计，扭矩计的刻度以百分单位、尺磅或磅每平方英寸为单位。
另外，N1和N2指示器也是涡轮发动机仪表中的重要组成部分。N1表示低压压缩机的旋转速度，以设计转速的百分比形式显示在指示器上。低压压缩机的速度由N1涡轮机叶轮进行调节，该叶轮通过同心轴与低压压缩机相连。同样，N2指示器则显示高压压缩机的旋转速度，其调节则由N2涡轮机叶轮完成，该叶轮同样通过同心轴与高压压缩机相连。
涡轮发动机操作要点
涡轮发动机的多样性使得在此详细阐述其运行过程变得不切实际。然而，存在一些适用于所有涡轮发动机的操作要点，包括发动机温度限制、外界物体损伤、热启动、压缩机失速和熄火。
发动机温度限制
涡轮发动机的最高温度通常出现在涡轮进气口，因此，该进气口的温度往往成为发动机运行的主要限制因素。
推力变化
涡轮发动机的推力与空气密度密切相关。在空气密度降低时，推力也会相应减少。值得注意的是，当涡轮发动机和往复式发动机都受到高湿度影响时，涡轮发动机的推力损失相对较小，而往复式发动机的制动马力则会显著降低。
外来物体损伤
由于涡轮发动机进气口的设计特性，吸入物体碎片的风险始终存在。这种风险可能导致压缩机和涡轮节的严重损坏，通常被称为外来物体损伤（FOD）。FOD的典型情况包括吸入停机坪、滑行道或跑道上的小物体，导致的小凹痕和划痕。然而，也可能发生飞鸟撞击或冰吸入等更严重的FOD事件，甚至可能造成发动机的整体损坏。
预防外物损伤至关重要。在地面运行期间，某些发动机进气口可能形成涡流，这可能会吸引小物体。为了防止这种情况，可能需要在进气口处安装涡流消散器或其他设备，如屏幕和/或偏转器。此外，飞行前的检查程序应包括对任何外物损伤迹象的仔细目视检查。
涡轮发动机热启动/悬挂启动
热启动是指当排气温度过高而超过安全限制时的启动尝试。这可能是由于燃油过多进入燃烧室或涡轮机转速不足所导致。在热启动时，必须参考相关手册以了解适当的检查要求。
另一方面，如果发动机在点火后无法加速到适当速度或慢车转速，则会发生悬挂启动，也被称为假启动。这可能是由于启动动力不足或燃油控制故障所引起。
压缩机失速
压缩机失速是涡轮发动机操作中的另一个关键问题。当压缩机无法提供足够的空气来支持发动机的需求时，就会发生失速。这可能导致发动机性能下降或完全熄火。因此，必须密切监控压缩机的运行状态并采取适当措施来预防失速的发生。
压缩机叶片的设计类似于小型翼型，同样遵循着适用于所有翼型的空气动力学原理。这些叶片具有特定的迎角，该迎角是通过计算进气口空气的速度与压缩机旋转速度而得出的。这两种力的合成形成了一个向量，它决定了叶片实际冲击进气口空气时的迎角。
压缩机失速，简而言之，就是进气口速度与压缩机旋转速度这两个向量数值的失衡。当压缩机叶片的迎角超越了临界值时，便会引发失速现象。在这一瞬间，平稳的气流受到扰动，进而产生压力波动和紊流。失速会导致空气流入压缩机的速度降低、停滞，甚至出现反向流动。
这种失速现象可能是短暂的、间歇性的，或是持续的，其严重程度亦有所不同。间歇性失速通常表现为回火和反向气流时的爆炸声。而一旦失速进入稳定状态，可能会产生持续的反向气流、强烈的振动和高声的啸叫。
驾驶舱仪表通常不会显示轻微的或瞬时的失速，但会显示已形成的失速状态。这包括转速的波动和排气温度的上升。大多数瞬时失速并不会对发动机造成损害，往往在经过一两个周期后能自行纠正。然而，稳定状态的失速却可能导致发动机的严重损坏。因此，必须迅速采取措施，如降低功率、减小飞机迎角和增加空速，以改出失速状态。
虽然所有燃气涡轮发动机都会面临压缩机失速的风险，但许多型号都配备了抑制这种失速的系统。其中之一便是使用可变式进气口导叶(VIGV)和可变式定子叶片，它们能将进入的空气以适当的迎角导向转子桨叶。预防空气压缩失速的关键是确保飞机在制造商设定的参数范围内运行。若压缩机失速确实发生，应遵循飞机飞行手册或飞行员操作手册中的建议程序进行处理。
此外，燃气涡轮发动机还有可能经历另一种运行状态——熄火。这是指发动机火焰无意识地熄灭，通常发生在燃烧室中的油气混合比超过富油限制时。这种情况被称为富油熄火，常出现在发动机加速过快或混合气过度富油导致燃油温度降至燃烧温度以下时。此外，气流不足也可能无法维持燃烧，导致熄火。
另一方面，更常见的熄火事件与燃油压力低和发动机速度低有关，这通常发生在高高度飞行或下降期间发动机油门收回时产生的贫油条件下。贫油混合器容易导致火焰熄灭，甚至在正常气流通过发动机时也可能发生。
燃油供应受到任何干扰都可能导致发动机熄火，这可能源于多种因素，如长时间的异常飞行姿态、燃油控制系统故障、气流紊乱、部件结冰或燃油耗尽等。一旦发动机熄火，其征兆与发动机失效时相似。若熄火是由瞬时条件引发，例如燃油流量与发动机转速之间的不平衡，那么在条件纠正后，飞行员可尝试在空中重启发动机。但无论如何，飞行员都必须严格遵循飞机飞行手册或飞行员操作手册中规定的紧急程序，这些程序通常包括关于适宜的高度和空速的建议，因为在这些条件下空中启动发动机更有可能成功。
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