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簡聊渦輪噴射發動機與渦輪扇葉發動機

作者:望燁│2017-07-01 23:48:41│贊助:34│人氣:1568

 
        對於多數人來說,噴射機是一個耳熟能詳的詞彙,但噴射機所使用的發動機類別卻是一般人鮮少注意的。
        那麼,噴射機所使用的發動機又分成哪些呢?
 
        以航空史上曾經出現過實機的噴射發動機來說,可以分成三種,分別是熱噴射發動機、渦輪噴射發動機、渦輪扇葉發動機。
        一般來說,噴射發動機吸入氣流後,主氣流都會經過壓縮、燃燒的階段,而渦輪扇葉發動機算的上渦輪噴射發動機的衍生,故而主氣流壓縮、燃燒的原理大致相同,但熱噴射發動機則是以往復式發動機去帶動前面的壓縮段,而缺乏渦輪段的設計,這也讓熱噴射發動機徒增冗重,歷史上採用此種動力的噴射機不多,其中以義大利坎皮尼C.C2最為知名,現今的飛機多是採用渦輪動力。
 


(米格設計局的I250,是一款熱噴射混合螺旋槳動力的混合動力機)
 
        然而,雖說都是渦輪驅動的發動機,渦輪噴射發動機與渦輪扇葉發動機又有所不同,這樣的不同主要出現在旁通道上。


        先來講講渦輪噴射發動機的部分,渦輪噴射發動機具體上分成五大部分,壓縮段、擴散段、燃燒段、渦輪段與排氣尾段,而壓縮段與渦輪段又可分為低壓或高壓壓縮段/渦輪段。
主要的功用上,壓縮段(註)負責把氣流壓縮減速、擴散段則有進一步壓縮減速,以利燃燒室燃燒,燃燒室則對氣流做最後的做功,自燃燒室出來的氣流會流經、帶動渦輪段,而渦輪段又會透過傳動軸帶動壓縮段,使發動機能夠運作,最後氣流會流經排氣尾段,並產生推力。
 
註:壓縮段又可分成離心式及軸流式
 
        那麼,渦扇呢?
 
就像上面提到過的,渦扇與渦噴最大的不同在於旁通道,而旁通道的出現則和第一級壓縮段的演變有關。



如上圖所示,渦扇發動機的第一級有一個龐大的風扇,所有的氣流都會通過這個風扇,但在風扇之後,氣流的去向則一分為二,分成了經過壓縮燃燒的主氣流,以及直接從核心段——壓縮段、擴散段、燃燒段、渦輪段等主要帶動發動機的核心部分之總稱——兩旁通過的次要氣流,也就是所謂的旁通氣流,核心段外側、發動機機匣內側,也就是所謂的旁通道,至若常有人提及的旁通比,則是旁通氣流與主氣流之比值。
        這種設計的出現有效的降低油耗、提高推力,由於旁通氣流不須經過燃燒、只有透過扇葉加速,自然也就降低了油耗,而旁通氣流雖比起核心氣流(主氣流)的動能來得低,但依舊能產生推力,此外,由於旁通氣流的流速較緩,比起同進氣面積的渦輪噴射發動積來說,具有旁通比的渦輪扇葉發動機噪音問題多半小於前者。

 

(低旁通比與高旁通比渦扇的對比)


        而渦輪扇葉發動機還能再細分成高旁通比與低旁通兩種,一般來說,高旁通比渦扇的旁通比都在5以上,在此值之下的稱為低旁通比渦扇發動機,以高旁通比發動機來說,推力主要由旁通氣流產生,核心氣流的目的僅是帶動整個發動機運作,但由於追求高旁通比,高旁通比渦扇發動機的迎風面積通常遠大於低旁通比發動機,阻力極大,惟油耗低而推力高,多用於講求次音速飛行的客機或運輸機等慢速機,講究高速飛行的戰鬥機則多用低旁通比渦扇發動機。
 
        值得注意的是,即便是低旁通比發動機,因考量阻力之故,戰鬥機所用的低旁通比渦扇發動機旁通比也遠遠低於民航機所用者,以第四代戰機廣泛使用的美製F100與俄製AL-31為例,兩者的旁通比約在0.36(F100-PW-229)到0.59(AL-31),甚少有以民航機用之低旁通比渦扇發動機改良為軍用發動機者,多是以同一核心段分別開發出民用與軍用型號,瑞典的JA37則是一個特例,起初選用勞斯萊斯的Medway渦扇發動機為動力來源,但因該發動機被取消,而不得不從現有的渦扇發動機選用一款進行開發,最後選上了P&W的JT8D加裝後燃器,成為RM8系列發動機,此系列發動機旁通比較F100等為高,故阻力也較大,為JA37的機動性帶來負面影響。
 
        總的來說,不論是追求高速的戰鬥機,抑或是追求效益的慢速民航機/運輸機,都希望油耗比能夠降低,故兩者先後捨棄渦噴改採渦扇,但對戰鬥機來說,渦扇的特性在空氣稀薄高空會導致推力有一定程度的衰減,只是1970~1990年代的空戰纏鬥多半以中低空域為主,而現代隨著視距外作戰的興起,高空性能慢慢的為各國軍方所重視,如何在低空性能與高空性能中取得平衡,便成了各國空軍考量的重要課題,可變循環發動機也應運而生,這種發動機可靈活的改變旁通比,以適應中低作戰與高空作戰的效能,早在1990年代就有通用電氣的YF120與YF136,但受限於種種因素,迄今依舊未能實用化,但在可預知的未來,該類發動機勢必將成為戰機發動機之主流。
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留言共 2 篇留言

娃娃國持劍儀兵
這樣說起來好像也會影響發動機後方的熱訊號?

07-02 08:46

望燁
是的,所以渦噴機的熱訊號比較高07-03 00:57
浦木
混合動力的還有XP-81

07-02 16:19

望燁
因為不是熱噴射小弟就沒特別提了XD07-03 00:57
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