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电机转速能超过航空发动机的转速吗？
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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：
电机转速能超过航空发动机的转速吗？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
很多读者认为航空发动机能够驱动大型飞机进行高速飞行，因此转速一定很高，其实这是一种误解，航空发动机的转速其实远没有大家想象得那样快，它甚至没有高速电机的转速高。
比如俄制“三姨夫”小涵道比喷气式发动机（AL-31FN型战斗机喷气式发动机），在起飞点时90.5%的物理转速为12000转/分，打开加力燃烧室进行超音速飞行时100%的物理转速接近13000转/分钟（具体参数不详）。
大涵道比大型民航客机发动机转速略高，比如说波音737客机使用的CFM56－7B型发动机，它的N1转子在起飞点91.3%的物理转速仅为5380转/分，N2为15180转/分。
稍大一点的客机发动机转速稍微高一点点，比如说波音777使用的GE-90型大型发动机，100%物理转速时N1转速12300转/分，N2为16000转/分。
航空发动机的作用是产生推力，它的基本原理是通过吸入大量空气，在燃烧室与燃油混合成油气混合体燃烧，产生高温高压燃气驱动涡轮高速旋转，再次吸入更多空气，然后喷射高温、高压气流，从而产生巨大推力推动飞机高速运动。
▼下图为研发阶段正在以100%物理转速进行试车的美制F119航空发动机，它装备于F-22战斗机，我国不具备研发这类大推力航空发动机的原因正是转速问题难以解决，而制约转速的核心问题就是叶片材料技术难获突破，如果世界上有一种既能耐高温，又具备高强度的材料，那么从理论上来讲，航空发动机的转速可以做到无限高，可见航空发动机技术的掌握实质上是材料技术的掌握。
比如美制军用小涵道比F119型航空发动机，它的最大推力达到了35000磅，相当于160千牛，升级版的F135型航空发动机更是达到了惊人的40000磅，相当于180千牛的推力，是真正的“能让板砖飞起来”的航空发动机。
航空发动机的转速越高，所产生的推力也就越大，比如说俄制“三姨夫”航空发动机，当转速接近13000转/分时就能产生122千牛的推力，能让飞机进行M2速度飞行的动力。
电机的转速可就比航空发动机的转速高太多了，比如说近防炮系统使用的直流无刷伺服电机，其最高转速竟然达到了惊人的100000转/分，即便是电脑硬盘使用的高速永磁电机最高转速也有15000转/分。
因此电机的转速肯定是比航空发动机转速高太多的，换句话说就是电机永远比航空发动机更容易实现高转速，在这一点上航空发动机没法跟电机相比。
▼下图为正在进行实弹拦截演练的陆盾-2000近防系统，近防系统能实现灵活转向、准确指向的原因就是伺服电机技术的实用化，这类电机的特点之一就是转速极高，因此许多领域都有应用，其中还包括机器人，航空发动机的转速似乎永远不可能赶上这类高速电机。
那么问题就来了：既然航空发动机的转速越高推力就越大，那为什么不把航空发动机的转速提高到超过高速电机，以此来获得更大的推力呢？
事实上航空发动机的核心技术就在转速的提高上，就单纯的提高航空发动机转速这一项技术而言，并不存在太高的难度，理论上来讲只要加大给油量以及风扇叶片数量，航空发动机的转速就会不断提高，达到伺服电机的100000转/分也不是问题。
问题在于航空发动机的运行环境是一个存在高温、高压的恶劣工况里，这就意味着发动机必须面对两个困难——材料的承受极限以及燃油供给。
就来说一说最核心的材料问题吧，当航空发动机转速达到100%物理转速时，涡轮叶片除了需要承受1700℃高温以外，还要承受气流产生的巨大压力。
以美制F119战斗机航空发动机为例，当飞机进行M1超音速巡航飞行时，每一片尺寸跟手机差不多大小的叶片相当于始终在承受23吨的重量影响。
这就意味着制作叶片的材料必须具备同时承受高温和高压的性能，而这就是制约航空发动机进一步提高转速的因素。
▼下图为加工中的军用小涵道比航空发动机的涡轮盘叶片特写，叶片材料技术制约了航空发动机的转速提高，地球上的金属元素要么耐高温而强度低，要么强度高却不耐高温，人类需要将它们制成既耐高温又有强度的合金才能用来制作叶片，这表示叶片的强度与耐高温性能时有极限的，而电机在这方面的极限要求低得多，因此它更容易实现高转速和超高转速。
因此当我们关心国产“太行10”发动机究竟行不行时，实质上是在关心科研人员究竟能不能研制出能承受约17吨重量和1800℃高温的叶片。
这也是我国以“举国之力”投入到航空发动机的研发中也很难见成效的原因，同时也是世界上只有5个国家能独立研发航空发动机的原因。
而电机就不一样了，尽管它也受高温的影响，但是这样的“高温”却只有300℃左右，安上一个散热风扇就解决了，至于高压因素则是基本不存在的。
可见电机的运行环境工况比航空发动机好太多太多了，因此只要有需求，哪怕研制一个转速达到30万/分的高速电机也没有太大难度，甚至一个院校或者公司的专业团队就能进行这样的研发，这就是我们说电机转速永远比航空发动机转速高的依据。
▼下图为性能接近美制F119的国产涡扇-15航空发动机，这里所说的“接近”只是乐观估计，由于叶片材料技术的制约，我们的航空发动机很难达到美制水平，如果能解决这个问题，那我们距离能生产出“让板砖飞起来”的航空发动机的日子也就不远了，然而现实是摘取这颗工业皇冠上的明珠是一个十分艰难的过程。
回答于 2019-09-11 08:43:50
把电动机和航空发动机（热机）直接相比，本身就是很幼稚的想法。
仅仅比较转速，而不提转矩（扭矩），更是显得十分可笑了。
最后，给大家一个（我本人估算的）数据：最先进的航空发动机，在发挥其高效能（比如F22在两台F119推动下做超音速巡航）时，其等效功率密度高达50KW/Kg左右（普通车用汽油发动机大约在1KW/Kg量级）！懂行的，自然明白其含金量。
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