所謂的燃氣輪機，指的就是那些依靠燃氣對渦輪做功來提供動力的機械，我們生活中常常會聽到渦扇發動機、艦用燃氣輪機，實際上都是屬于燃氣輪機的范疇。而像生活中最常見的燃油汽車發動機，一般都是活塞發動機，跟上面說到的燃氣輪機有著本質區別。

↑艦用燃氣輪機↑

↑航空燃氣輪機↑

↑活塞發動機↑

雖然應用廣泛，但是燃氣輪機這種動力機械有一個致命弱點：他們幾乎都是油老虎，比如說正常的航空燃氣發動機總效率只是在10%-20%左右，而活塞發動機的總效率卻很容易就做到40%以上。這就意味著，使用燃氣輪機時消耗燃料的速度往往要用超過活塞發動機一倍以上。

可是為什么“油老虎”的燃氣輪機

卻好好地用在飛機、艦船上呢？

難道不怕費油嗎？

強大的功率密度

雖然燃氣輪機往往都是油老虎，但是它們有一項技能卻是活塞發動機絕對達不到的：那就是極為強大的功率密度。就是說，同樣的重量、體積下，燃氣輪機能夠產生的功率會遠遠超過活塞發動機。

其實我們只要舉一個例子就好了。下面這是一臺B&W 12S90ME-C Mark 9.2活塞發動機，它重達1800噸，高17.2m，長59.0米，功率大概在98000馬力。

↑小山一樣的活塞發動機↑

而下面這臺發動機是在圖-95轟炸機上使用的NK-12型渦槳發動機，這臺發動機的馬力大概在15000馬力左右，而一架圖-95發動機需要四臺NK-12渦槳發動機，共計60000馬力。換句話說，剛剛說到的那一臺1800噸重活塞發動機產生的功率也就只夠一架圖-95發動機上天，第二架都送不上去。

↑NK-12型渦槳發動機↑

而一臺NK-12型渦槳發動機多重呢？3噸。想要產生跟剛剛那臺活塞發動機一樣的功率，只要7臺渦槳發動機排排站就行了，一共就是20噸出頭的重量。

功率一樣，活塞發動機和燃氣輪機的重量比是1800噸：20噸，這就是燃氣輪機在功率密度上的巨大優勢——所以你知道為什么飛機上會使用燃氣輪機了吧？

為什么燃氣輪機會有那么強大的功率密度？

既然我們知道了燃氣輪機在功率密度上的巨大優勢，那么到底是什么原因才讓燃氣輪機有這樣強大到沒朋友的功率密度呢？

我們先來看一個物理公式：

P=Fv

這個公式是所謂的做功公式，

P代表功率，F代表力，v代表速度。

這個公式放到活塞發動機、燃氣輪機這樣的工質發動機中，它的意義就是這樣的：燃氣膨脹時會對機械產生一個力F，這個F會驅動機械中的某個構件以速度v運動，于是燃氣對機械所做的功的大小P就是力F和速度v的乘積。

想要發動機有更大的功率，要怎么做呢？答案就是：增大力F，或者增大運動速度v。比如說活塞發動機中就是燃氣驅動活塞運動做功，從而將燃料的熱能轉化成機械能，驅動發動機轉動，燃氣作用在活塞上的力F和活塞的運動速度v就分別對應了上面公式中的F和v。

↑燃氣驅動活塞運動從而將燃料的熱能轉化為機械能↑

于是我們就要問了：為什么就偏偏不能讓活塞發動機中的力F和運動速度v變得更大呢？

而解釋了這個問題，我們就可以真正明白，為什么燃氣輪機會有那么大的功率密度。

靜力與“動”力的區別

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之所以燃氣輪機中的結構可以承受更大的力，而活塞發動機做不到，不是因為材料，也不是因為成本，而是因為這兩種機械存在一個本質上的區別：燃氣輪機運動的構件承受的是靜力，而活塞發動機的活塞承受的是“動”力。

↑燃氣驅動燃氣發動機轉子轉動↑

下圖就是燃氣驅動燃氣輪機的轉子轉動的動圖，而我們以渦輪葉片為例，分析一下它的受力，就會發現，主要受到的就是氣動力和離心力兩類載荷，當發動機在穩定工作的時候，這些載荷的大小和方向是不會改變的。

↑渦輪葉片的受力↑

相反，即便是在穩定工作的狀態下，活塞發動機中的活塞和連接活塞的連桿受到的依然是一個忽大忽小的力，學名叫做“交變力”。

其實說到這里，相信有的朋友就能夠明白了。同樣一個物體，當它受恒定力的情況下，只有這個力非常大的時候，才能夠破壞這個物體的結構。相反，如果這個力是交變力，那么你要非常小心地控制這個力的大小，稍微大一點點，不等變化幾次，這個物體就壞掉了。

比如說一根鋼筋，你想要生生把它掰斷，非常難，但是如果你反復來回地掰它，可能沒有幾次它就會斷開。換言之：這根鋼筋如果承受的是靜力，那么它能夠承受100N的力，那么如果改讓它承受交變力，那么這個交變力的極值最多也就是一個零頭。

所以，哪怕燃氣輪機和活塞發動機都用一樣的材料來制作，因為受力的方式不同，兩者能夠承受的力也不在一個級別上。而說的稍微學術一點兒：燃氣輪機是“連續做功”，而活塞發動機是“非連續做功”，所以必然會在功率密度上有著本質的區別。

當然了，說燃氣輪機中的活動構件——轉子，受的是靜力，也不是很準確，考慮到工況的變化和自身結構產生的振動，轉子各個結構往往受到的也往往是“交變力”，但是這個受力變化的幅度卻要小很多，所以并不會改變燃氣輪機結構的受力特點，而關于振動問題，如果大家感興趣，可以以后慢慢講。

結論

總結一下吧，之所以燃氣輪機會有如此驚人的功率密度，最主要的就是因為它是一種“連續做功”的動力裝置，所以它的載荷可以非常高，這就是這個問題最本質的原因。