黑鸟发动机J58是涡轮冲压组合发动机（TBCC）吗？

真理越辩越明！...



此文首发于5月20日，后经老鸟大C审阅修订，成为此稿，今予新发。



 

在菜鸟小A反应迟钝的大脑中，不知哪年哪月形成的印象，一直坚定不移的认为美国黑鸟“双三”（高度3万米，速度3马赫）侦察机的发动机J58是涡轮冲压组合发动机，即TBCC，并且是串联式的，“高马赫数时涡喷熄火转冲压，气流主要走外涵进冲压燃烧室”，如下面这张网上广泛流传的原理图所示。

 



小A在心中不禁感慨老美在上世纪六七十年代就能研制TBCC，我们的差距何其之大？直到有一天，无意间菜鸟小A和老鸟大C在微信中聊起J58，经过几天断断续续的争辩、思考，小A才发现“老鸟就是老鸟”，经大C的耐心点拨，小A好像有点开窍，发现常识和书上写的有时真不靠谱，事实没有自己想得那么简单，真相可以说是“一类变循环—单转子涡喷变涡扇”。以下是两人的微信对话，事情的缘起是从涡轮发动机最快飞到几个马赫开始，欢迎感兴趣的朋友拍砖。

C：黑鸟设计巡航速度3马赫，最高飞到3.4马赫，那可是五六十年代的技术呵。米格25飞得更快，但它采用了冷却剂，也是老技术。

现在的涡轮发动机可以工作在4马赫。主要问题是温度高，换算转速低，若物理转速受限，则推力没了，因此，必须提高转速能力。

A：有道理，一个是黑鸟用的涡轮冲压组合发动机，一个是没想明白发动机进口温度高对压气机产生有害影响的物理机理是什么？

C：黑鸟的J58不是涡轮冲压组合发动机，纯纯的涡轮发动机。

行业里总有人有意的张冠李戴，导致三人成虎。

A：这个还第一次听说，我得仔细查查。

C：嘿嘿，不用查，如果我没记错，它是压气机第四级引气，一类变循环发动机。

所谓冲压发动机，一个标志状态是流道中没有可增压的旋转部件。从发动机进口向后引气是涡轮冲压组合发动机。从压气机四级后引气是涡扇发动机。

认为它是冲压发动机的人的主要逻辑是：冲压压比占主导，比那四级压气机（或者称为核心机驱动风扇“F135专用概念”）压比高的多，所以算冲压发动机。如果这个标准成立，那么扇子10，三姨夫，等都成冲压发动机了。因为2.0马赫飞行，冲压压比比风扇压比（或者EPR）都高的多。

所有混淆的目的，都是为了预研论证：看，国外有涡轮冲压组合。

在J58发动机三马赫工作时，你能找到它与单转子涡扇发动机哪怕一丁点的循环原理差异？

A：关键是看核心机是不是熄火了？

（此时，小A找来J58视频。http://www.iqiyi.com/w_19rrtl60u1.html）

C：莫非你认为J58核心机熄火？

如果我没记错，他的外涵流量不足40%，内涵流量是主要的，当然主燃烧室不熄火。（如果熄火，则风扇前四级处于风车状态，流阻损失大大的有）

这种模式就是涡扇的模式，与目前设想的涡轮冲压组合毫无相似。涡轮机熄火，空气均走外涵等。

上面那个科普视频的标题不能作为科学依据。

J58在2马赫左右即开始变循环。

哈哈，老话题了，对你可能新颖，我们早争论过。C：想清楚了？有不同意见也没关系，技术问题就要争执。但必须有兴趣。表面看是资料问题，实际是发动机原理。

A：谢谢教导！这两天太忙，每晚十二点多回家，没顾上深入学习研究。初步看了J58的维基资料，基本判断我之前认识是错的，又被忽悠了。

（此时，小A找来维基百科中关于J58的词条介绍。https://en.m.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_J58）

C：多休息，抓紧时间睡一些，否则智力衰退很快，35岁后就不靠谱了，像我。

A：我感觉自己脑子已经锈迹斑斑了。

C：尽管相关资料有涡轮冲压的字眼。但是，从原理上，内涵不熄火，压气机前四级还有足够的压比（估计2以上），没有现代涡轮冲压组合的特征。

我想，资料也许只是在强调，冲压压比是主要的，或者不够专业、严谨。（这个世界没有绝对无错的资料，规范和标准还经常有错，普惠和GE关于FADEC的定义都不一样）

A：没错。

C：不要小看那2个压比。我们的三姨夫等发动机，2马赫的EPR也就2左右。

A：里面关于部分冲压的阐述感觉有些模糊。

C：冲压发动机有定义。

一定是没有旋转部件，至少没有有效的旋转部件。

如果从发动机进口引气，就是冲压发动机了。

冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。冲压发动机主要是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排。

A：纯纯的涡轮发动机，一点没错！只是老外也说部分冲压，起名turboramjet，国内也有叫压气机辅助压缩的冲压发动机，我得研究研究这里面的由来。

C：哦，我想起来了，那个叫TBCC。

那是，部分冲压，如果不是部分冲压，设计就不会如此了。

Turboramjet engines may be classified according to the manner of energy transfer to the ramjet parts and whether they have a separate combustor.[12] In the Griffon 02 power plant the turbojet was separate from the ram duct, which had its own combustor, and there was no energy transfer. In the J58 there was energy transfer from the gas generator to the bypass flow(from the compressor) and to the afterburner (from the turbine exhaust).

就是这段，区分了TBCC和TUBRORAMJET。

两大特征：给气体压缩做功，独立的冲压燃烧室。

A：记得项目报告里说老美黑鸟就是串联tbcc，一想咱们得落后多少年了，原来不是一回事，哎，独立思考太重要了，我还处于原始初级阶段。

C：TBCC有缺陷，单位截面推力小，重量重。

由于高空大马赫，飞机升阻比很小了，一旦重量重就要命。单位截面推力小也要命。

但是，如果到4马赫以上，涡轮发动机是累赘，必须采用冲压，不得不用TBCC。

黑鸟这种不能达到4马赫，涡轮机不行了，前四级将没有压比，处于风车状态，而风车效率很低，流量拥塞，不可。

A：黑鸟的后继SR-72用的是并联TBCC，还处于研发中。

（此时，小A又找来SR-72维基百科的词条介绍。https://en.m.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_SR-72，小A只剩下找资料看资料了）

C：英语不好，只看懂马赫6。

A：The challenge is to design an engine to encompass the flight regimes of subsonic,supersonic and hypersonic speeds. Using turbine compression, turbojet engines can work at zero speed and usually perform best up to Mach 2.2.[7] Ramjets,using aerodynamic compression with subsonic combustion, perform poorly under Mach0.5 and are most efficient around Mach 3,being able to go up to around Mach 6.The SR-71's specially designed enginesconverted to low-speed ramjets byredirecting the airflow around the core andinto the afterburner for speeds greater than Mach 2.5. Finally, scramjets withsupersonic combustion cover therange of high supersonic to hypersonic speeds.The SR-72 is to use a turbine-based combined cycle (TBCC) system to use aturbine engine at lowspeeds and a scramjet engine at high speeds.[2] Theturbine and ramjet engines share common inlet and nozzle, with differentairflow paths in between.[8]

这里面说涡轮机最佳到马赫2.2，黑鸟转换的马赫数差不多，看来纯涡轮机不上类似于J58冲压或者预冷的措施，很难再提升马赫。

C：这个不太对。

J58的原理很简单，有空我给你说说，我喷6、8等也有放气，意义差不多，它只是将气放到加力燃烧室。

A：这里面还说冲压最佳在3左右，2到3之间如何跨越，所以有人称TBCC的推力缝隙。

C：J58呀，变循环涡轮发动机。一直可以到4。J58还有点老。从原理上说，J58是变循环发动机，涡喷变涡扇，只是它工作在高速大冲压模式。

或者说，当2.2马赫它变循环后，其工作原理与31F有任何差异吗？（除了单双转子）

A：这个我能理解，前四级类似于CDFS。

C：你能理解它为何要变循环吗？与喷子6等有何差异？

我建议你在这个命题上，不要再以看资料为主，而以理解原理为主。

涡扇，三姨夫发动机在2马赫，其加力燃烧室以冲压方式工作吗？

唉，我几次想试着给你解释，你没接招。

你还在干别的？

A：专心思考。

C：我问的问题，你怎么一个也没回答？

A：好，我一个一个回答。技术底子薄，还请明示。先说为何变循环。

C：压气机给外涵气体的那两个压比，不是一般的能量。太关键了，是布莱德循环的基础，也是加力燃烧室气体充分膨胀的基础。

第一个问题：喷子6发动机为何压气机中间级要放气？

第二个问题：三姨夫发动机在2马赫，其加力燃烧室以冲压方式工作吗？

A：前喘后涡，解决稳定性问题。

C：第三个问题，如果航天，用加力燃烧室做冲压燃烧室，且从发动机进口引气，引气后涡轮发动机工作吗？

第一个回答对。

第四个问题，解决前喘后涡有两种办法（还有控制导叶），为何J58不用控制导叶的方法？为何引气要进入加力燃烧室？

第五个问题：加力燃烧室压力与哪个压力基本相等？（压力是气体膨胀的基础），如果从中间级引气和从发动机进口引气，加力燃烧室压力有何区别？

三姨夫在2马赫，其加力燃烧室压比（与大气压）为7.8*2.5左右，其中，2.5为风扇压比，7.8为冲压压比。哪个主要？

A：当然冲压主要了。

C：J58也是如此，它在2马赫（左右）转换后，或转换前，其加力燃烧室与三姨夫发动机基本相当。

那么是否可以说，三姨夫发动机加力燃烧室以冲压模式工作？

A：可以。

C：好。多少有点出乎意料。

习惯上不这么说，因为只要风扇压比，就不提冲压模式。

下面回答第三个问题。

A：我认为可以不工作。微信聊我还能思考，当面聊跟不上你思路。

C：如果工作，那么外涵压比小于1，（损失了），内涵压比必须也小于1，有EPR压比小于1的发动机？（理论上也可以有，但其压气机和涡轮处于远离设计态）

所以，即便涡轮机工作，也处于一个极其低效的状态，自己没有推力贡献。所谓的内涵能量交换有意义吗？

而且，所谓的能量交换，应该特指增压比，增压比是布莱德循环的基础，不是一般热量（油），哪儿加油不是加。

下面回答第四个问题。

航空发动机本质就是给气体加热、加压的工具，加压多、加热少，则效率高。加压小、加热多，则效率低。

A：The route chosen to keep the J58 compressor pumpingwas to bleed air from the compressor 4th stage through 6 external tubes to theafterburner. In addition a 2-position trailing edge flap was added to the inletguide vanes.[2] The bleed and adjustable flap position kept the compressorworking efficiently despite the high temperature air delivered to it by theintake.

J58是双管齐下。

C：任何发动机一管就够了。

至今没有看到需要两管的发动机，那么J58在干啥？

A：涡喷转涡扇。

C：在进口高温条件下，发动机换算转速很低，空气流量小，冲压来流多于发动机空气流量，如果用关小导叶的方法防喘，那么空气流量更小。必然把进气激波顶出（脱体正激波）。推力减小、阻力增加。（待续）

用放气的方法，可以提高发动机的空气流量，而放的气体也不能浪费（都是新鲜空气），转到加力燃烧室参加燃烧。

而引出的气体压力必然与涡轮后排气压力基本相当（静压相同，总压相近）

如果这样的引气还无法满足冲压来流的要求，那么把导叶开一开（一种可能）。或者通过导叶微调前四级的匹配，防止引气过多时，导致某一级效率低（另一种可能），一般四级压气机无需导叶（有的有，如三姨夫，但导叶坏了无关大局）

以上有不明白的吗？

所谓的导叶开，指的是向反向关，压气机攻角大，空气流量大。

A：换算转速低，换算空气流量低，怎么推导出实际需求流量小于冲压来流流量？

C：所以，引气的方法，称为变循环，一方面解决前喘（顺便解决后涡），一方面增加空气流量。但这基本不会改变加力燃烧室的压力。

简单说（不准确）：冲压来流与马赫正比，而发动机换算转速与马赫反比，按照压气机特性，换算流量下降更快。

换算流量与换算转速不是线性下降，而是更快。

所以，加力燃烧室是否以冲压模式工作，与外涵引气无关。

A：脑子不怎么转了，睡觉了，清醒时再琢磨。

C：其实，流量比较复杂：来流物理流量，总压损失（总温不损），换算转速下降，换算流量指数下降，总压提高，总温提高。

（此时已是午夜12点半）。。。

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