喷气发动机是一种结构高度复杂的设备，其工作原理却很简单：为飞机提供飞行所需的推力。任何在飞机加速滑行并起飞时，感受到自己被轻轻推向座椅后方的人，都能凭直觉体会到其中的奥妙。每只机翼下方的涡轮风扇发动机正在吸入空气，并将其加速排出，从而产生推力。
通用电气、罗尔斯·罗伊斯和普惠等公司商用发动机的内部细节可能有所不同，但其基本原理是相同的。
“现代涡轮风扇喷气发动机的工作原理基于牛顿第三定律，”罗尔斯·罗伊斯的一位子系统负责人 Emma Booth 说道。“每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用。”
虽然宏观描述听起来很简单，但发动机内部的过程既复杂又迷人。以下是关于发动机内部工作原理的介绍，在那里空气被压缩，燃油被点燃，温度变得极高。
发动机前部的风扇吸入空气
从外面看看发动机——你可以从机场登机口看到——你会注意到发动机机体内部的叶片。这些叶片的直径可以非常巨大。例如，通用电气的 GE9X 配备了一个拥有 16 片叶片的风扇，其直径超过 11 英尺。其中一台发动机可以产生 105,000 磅的推力，尽管它产生的推力甚至更大，在 2017 年创下了记录。
“前面有一个大风扇——它实际上提供了大约 90% 的推力，”GE Aerospace 的首席工程师 Christopher Lorence 说。
以 GE90 发动机为例，它悬挂在波音 777 等飞机的机翼下方。该公司表示，飞机起飞时，其中一台发动机每秒会吸入约 3,600 磅的空气。
风扇吸入空气，当空气流经发动机时，比例上较小的一部分会沿着机器中心的“核心”路径向下流动。但大部分空气绕过了核心，直接从后面排出。正是这些未经过核心的空气在推进飞机方面发挥了大部分作用。
绕过核心的空气体积与经过核心的空气体积之差被称为发动机的涵道比。发动机制造商希望涵道比越高越好，以获得最佳效率。“最有效的方法是吸入大量空气并稍微增加压力，”Lorence 说。“早期的发动机涵道比非常低——所以它们的工作方式是，大部分空气经过核心，有限的（空气）通过旁路，并且速度非常快。”但如今，涡轮风扇发动机的涵道比非常高。
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军事飞机（如战斗机）上的喷气发动机是个例外，它们没有商用飞机发动机那样大的涵道比。这些飞机除了燃油效率之外还有其他优先事项——例如高机动性、达到超音速速度和保持低空域——它们的发动机与飞机机身紧密集成，还可以利用加力燃烧器。
在核心区域，空气被压缩，燃油被点燃
前部的风扇叶片需要动力来旋转，这就是发动机核心的作用所在。进入核心的一小部分空气（罗尔斯·罗伊斯公司 Booth 表示约为 10%，其余 90% 绕过核心）会经历一个多级过程。
核心的第一部分是压缩机级，在那里空气被——你没猜错——压缩。空气变得更密集，并升温。“有许多级的压缩机叶片在旋转，还有静止的导叶，空气随着这些压缩机叶片越来越小而被逐渐挤压，”Booth 说。
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当然，空气不愿意被压缩；要做到这一点需要付出努力。“这基本上就像你想把水往上坡刷一样，”Booth 解释道。
然后，压缩机级之后是燃烧室。喷气燃料点燃并将空气加热得更热。通用电气公司的 Lorence 说，如果空气在压缩机末端的温度约为 1,200 至 1,300 华氏度，那么经过燃烧室后，温度可能高达 3,000 华氏度左右。相比之下，夏威夷火山的熔岩温度通常在 2,140 华氏度左右。
Lorence 说，令人惊讶的是，从燃烧室排出的灼热空气“高于它后面的涡轮叶片的熔点”。“我们实际上必须通过这些叶片泵入空气，以防止它们熔化。”相对凉爽的空气来自压缩机级。罗尔斯·罗伊斯也采取了类似措施来防止其涡轮叶片熔化。
正如发动机制造商希望获得高涵道比一样，他们也希望发动机内部温度非常高。“你制造的温度越高，核心的运行效率就越高，”Lorence 说。
核心的涡轮机收集能量
空气被超高温加热后，在“下班休息”之前，还有一项重要任务：驱动一些涡轮机。在通用电气的发动机中，有两个涡轮机——一个高压涡轮机和一个低压涡轮机。“你有很多充满能量的空气，”Lorence 说。“你做这一切的原因是为了让能量通过这些涡轮阶段释放出来。”
这两个涡轮机中的每一个都有特定的任务。首先，高压涡轮机“利用能量并驱动压缩机，这基本上驱动了核心，”Lorence 说。“然后，在低压涡轮机中，它利用能量驱动轴，该轴驱动（发动机前部的）风扇。”
在罗尔斯·罗伊斯公司的 Trent 发动机（例如空客 A350 飞机上的发动机）中，还有一个中间压力涡轮机，位于高压和低压涡轮机之间。在这种情况下，前两个涡轮机驱动压缩机工作，最后一个涡轮机为发动机前面的大风扇叶片提供动力。
简而言之：进入核心的空气在燃烧燃油后被压缩和加热。然后它驱动涡轮机，其中一个涡轮机为发动机前部的风扇叶片提供动力。请记住，与核心排气相比，绕过核心的空气为发动机提供了大部分推力。
Booth 说：“旁路空气的行驶速度低于流经发动机核心的空气，但这些空气具有如此大的质量，仍然能产生很大的推力。”正因为有了这种推力，飞机才能腾空而起。
