涡扇发动机

1. 说出推力从哪里来：发动机把大量空气向后加速，空气的反作用力推它向前；这台发动机约八成五的推力来自风扇推出的外涵空气。
2. 按顺序说出空气走过的部件，和每一段做的事：压缩、燃烧、膨胀。
3. 解释现代发动机的风扇为什么越做越大：把大量空气推得慢一点，比把少量空气推得很快更省油。

一节课的开头或结尾，老师投影、讲解。

1. 0–3 分钟

   投影「每秒 1.2 吨空气」：起飞时风扇每秒吸进约 1.2 吨空气，叶尖比声速还快。

   第 01 章每秒 1.2 吨空气→
2. 3–6 分钟

   「压缩、燃烧、膨胀」：沿着气流指出每一段在做什么。

   第 02 章压缩、燃烧、膨胀→
3. 6–10 分钟

   「推力主要来自风扇」：每 10.5 千克空气里只有约 1 千克进内涵。问：为什么把大量空气推得慢一点更省油？

   第 03 章推力主要来自风扇→
4. 10–13 分钟

   「比熔点还热的涡轮」：燃气比叶片合金的熔点还热，金属本身却始终在熔点以下。问：靠的是什么？

   第 09 章比熔点还热的涡轮→
5. 13–15 分钟

   实验台：把油门从「起飞」收到 80%，看推力还剩几成。

   第 13 章油门→

一整节课，留出学生动手和讨论的时间。

1. 0–4 分钟

   先问：一架客机这么重，是被什么推着往前走的？再投影「每秒 1.2 吨空气」。

   第 01 章每秒 1.2 吨空气→
2. 4–9 分钟

   「压缩、燃烧、膨胀」：空气被压缩约 44 倍，燃气升到约 1430 °C；两个涡轮各带动自己的压气机或风扇。

   第 02 章压缩、燃烧、膨胀→
3. 9–15 分钟

   「推力主要来自风扇」：推力等于每秒推出的空气质量乘以速度增量。请学生比较外涵和内涵：哪一股空气多，哪一股更快？

   第 03 章推力主要来自风扇→
4. 15–19 分钟

   「剖开来看」：请学生从前往后说出各部件的名字。

   第 04 章剖开来看→
5. 19–23 分钟

   「两根轴，各转各的」：风扇大，要转慢一点；压气机小，要转快才压得动。

   第 05 章两根轴，各转各的→
6. 23–27 分钟

   「比熔点还热的涡轮」：单晶叶片、冷却通道、气膜和陶瓷涂层。

   第 09 章比熔点还热的涡轮→
7. 27–30 分钟

   「甩掉一片叶片」：每种发动机取证前都要做叶片脱落试验，碎片必须被包住。

   第 10 章甩掉一片叶片→
8. 30–38 分钟

   动手：照下面的步骤操作油门，记录推力和两根轴的转速。

   第 13 章油门→
9. 38–40 分钟

   「真实发动机的数字」：拿模型的数字和 GEnx-1B、遄达 1000 比一比。

   第 11 章真实发动机的数字→

1. 喷气发动机是靠喷出的气“推着身后的空气”前进的吗？

   好的回答不是。发动机把空气向后加速，空气给它一个反作用力，这就是推力；大部分推力作用在风扇叶片和机匣上。

2. 这台发动机的推力，大部分来自哪里？

   好的回答来自风扇。每 10.5 千克空气里只有约 1 千克进内涵，其余从外涵绕过核心机。外涵空气只被加速到约 260 米每秒，比内涵燃气慢，但量多得多，约占推力的八成五。

3. 涡轮叶片在比合金熔点还热的燃气里，为什么不会熔化？

   好的回答热的是燃气，金属本身始终在熔点以下。叶片内部有冷却通道，表面一排排小孔喷出冷气，贴着叶片形成一层气膜；外面还有约 0.25 毫米厚的陶瓷热障涂层。

4. 风扇和高压压气机为什么装在两根轴上，转速也不一样？

   好的回答风扇大，转慢一点叶尖才不会太快；压气机小，要转得快才压得动。两根轴没有机械连接，各自找到自己的转速：起飞时风扇这一根约每分钟 2560 转，另一根约 11400 转。

5. 油门收到 80% N1，推力还剩多少？为什么不是 80%？

   好的回答模型给出约七成。推力等于每秒推出的空气质量乘以速度增量：转速降下来，吸进的空气少了，每千克空气得到的加速也小了，两者相乘，推力掉得比转速快。

油门收一点，推力少多少？

1. 翻到最后一章「油门」，把油门推到「起飞」。记下「推力」「N1 低压轴」「N2 高压轴」。
2. 把油门收到「80%」，再记一次。算一算：推力是起飞时的几成？
3. 再收到「慢车」，看推力和两根轴的转速：各剩起飞时的几成？
4. 把油门推回「起飞」，读「外涵推力」：推力里有几成来自绕过核心机的空气？
5. 看「气流」：哪些空气绕过核心机，哪些穿过燃烧室和涡轮？

留意N1 收到 80% 时，推力只剩起飞时的约七成：推力比转速掉得快。两根轴各转各的：到了慢车，N1 只剩起飞时的约两成，N2 还有约六成。起飞时，约八成五的推力来自外涵空气。

• 误解喷气发动机靠喷出的气推着身后的空气前进。

  图版里看到的推力是被向后加速的空气给发动机的反作用力，大部分作用在风扇叶片和机匣上。

• 误解涵道比大，说明核心机不重要。

  图版里看到的风扇的功全部来自核心机的低压涡轮。

• 误解涡轮叶片在熔点以上工作。

  图版里看到的在熔点以上的是燃气；金属本身靠冷却和涂层，始终低于熔点。

• 误解风扇叶片脱落试验是一次故障演示。

  图版里看到的它是每种发动机取得适航证之前都必须通过的试验。

这幅图版可以配合下面这些章节。按新版教材列出：初中 2024–⁠25 年起的版本，高中 2019 年版；旧版的章节号不同。

• 人教版 · 物理 · 初中 八年级下册（2025春）第七章 力 · 第1节 力
• 人教版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能的利用 · 第2节 热机
• 人教版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能的利用 · 第3节 热机的效率
• 人教版 · 物理 · 高中 必修第一册（2019）第三章 相互作用——力 · 3 牛顿第三定律
• 人教版 · 物理 · 高中 必修第二册（2019）第六章 圆周运动 · 1 圆周运动
• 人教版 · 物理 · 高中 选择性必修第一册（2019）第一章 动量守恒定律 · 2 动量定理
• 人教版 · 物理 · 高中 选择性必修第一册（2019）第一章 动量守恒定律 · 6 反冲现象 火箭
• 沪科版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能与热机 · 第三节 热机
• 北师大版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十章 机械能、内能及其转化 · 第四节 热机
• 浙教版 · 科学 · 初中 八年级上册（2025秋）第2章 力与空间探索 · 第2节 运动与相互作用

拓展

• 人教版 · 物理 · 高中 必修第二册（2019）第八章 机械能守恒定律 · 3 动能和动能定理
• 人教版 · 物理 · 高中 选择性必修第三册（2019）第三章 热力学定律 · 2 热力学第一定律

留意教材里一般叫「喷气发动机」，不用「涡扇」这个词：涡扇是喷气发动机的一种，在核心机前面多了一个大风扇和外涵道。

和图版相同。这一页的事实都出自图版和这些来源。

1. EASA 型号合格证数据单 IM.E.102：GEnx（级数、起飞推力、转速）
2. GE Aerospace：GEnx（风扇 111.1 英寸、18 片复合材料叶片、涵道比、总压比）
3. EASA 型号合格证数据单 E.036：遄达 1000（三轴、2.85 米、推力）
4. Rolls-Royce：遄达 1000（85% 以上推力来自风扇）
5. Rolls-Royce：遄达 1000 信息图（20 片叶片、涵道比、总压比）
6. EASA 型号合格证数据单 IM.E.002：GE90-115B
7. GE Aerospace：GE90
8. GE Aerospace：GE9X（134 英寸风扇、涵道比、总压比）
9. EASA 型号合格证数据单 E.111：遄达 XWB
10. EASA 型号合格证数据单 E.110：LEAP-1A
11. EASA 型号合格证数据单 IM.E.093：PW1100G-JM（齿轮传动风扇）
12. Rolls-Royce (2012)：单晶叶片工作在比合金熔点高约 200 度的燃气中
13. The Naked Scientists：Rolls-Royce 冶金学家谈涡轮冷却（气膜冷却、热障涂层）
14. BAM：CMSX-4 的固相线温度
15. T. M. Pollock、S. Tin (2006)：Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines，J. Propulsion and Power
16. 14 CFR 33.94：叶片包容与转子不平衡试验
17. EASA CS-E 810：压气机与涡轮叶片失效
18. ACJ E 810（JAR-E）：叶片脱落试验的条件
19. NASA TM-2009-215784（Guynn 等）：涡扇循环的部件效率与 T4
20. Georgia Tech AE 4451：涡扇性能讲义