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【心得】航空知識加:渦輪噴氣發動機

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一名戰鬥機飛行員能從發動機獲得多少推力,他就需要多少推力,永不嫌多。------尖端科技雜誌編輯 張明德

一架飛機性能優異與否,發動機佔了很重要的關鍵,尤其對飛機歷史的發展更是如此。而渦輪噴氣發動機對近代航空的影響甚大,細心觀察有助於了解飛機迷人的地方。本文特別對渦輪噴氣發動機做個簡單介紹,希望能幫助版上和我一樣熱愛航空的版友更能理解看似深奧實則美麗的天空。當然、若有版友自己也是學富五車,也煩請上來和大家一起分享討論,這將是對版友們莫大的收穫。現在就請各位一起隨我的文筆往下看吧。

離心式渦輪噴氣發動機

離心式渦輪噴氣發動機,故名思義就是將空氣吸進發動機,再利用發動機本身的離心力壓縮空氣進而產生推力。這種發動機只能使用單級泵式葉輪壓縮機來壓縮空氣,空氣吸進去後會經90度角進入燃燒室,影響吸入的空氣量,且發動機的轉速和尺寸限制了離心力的大小,使其無法提高壓縮比進而限制其最大推力,所以這款發動機只出現在英國吸血鬼式戰機、美國P-80戰鬥機和早期的MIG-15戰鬥機等古早飛機後就從史上銷聲匿跡了。當然,這款壓縮比不足的發動機甚至不是史上第一款渦輪噴氣發動機。而渦輪噴氣發動機的革命早在1939年的德國就已經開始了。

軸流式渦輪噴氣發動機

1939827日亨克爾公司的He176是全世界第一架安裝軸流式渦輪噴氣發動機的飛機,同時也是全世界第一架安裝噴氣引擎的飛機。三年後的梅塞施密特Me262更造成盟國的恐慌,也帶動了未來渦輪噴氣發動機的發展。軸流式渦輪噴氣發動機主要分為(一)壓縮機(二)燃燒室(三)渦輪機三個部份,首先、空氣會被多級壓縮機進行層層壓縮,之後進入燃燒室與燃油充份混合後再點燃,再來進入渦輪機推動粗短的扇狀葉片帶動前面的壓縮機糕速旋轉並更進一步壓縮其空氣,之後噴出來的就是強勁有力的高壓氣體。軸流式渦輪噴氣發動機和離心式發動機不同的是其吸氣量相當大,所以軍用發動機通常都會再後面安裝一個後燃器(或稱加力燃燒室),必要的話額外的燃料會被注入並產生更多推力。軸流式渦輪噴氣發動機主要是將空氣延著軸心壓縮因而得其名,由於此款發動機可使用多級壓縮機壓縮空氣數次,且是將空氣壓縮在軸心內,理論上只要發動機扛得住內部龐大的壓力,發動機的壓縮比便能無限上綱的增加並強化推力。這款優秀的發動機進而摧生出許多性能優異的飛機,美國的F-4幽靈二式戰鬥機,他的高爬升率、高酬載量和開啟後燃器後的2.2馬赫高速都是多虧了兩部J-79發動機。但是軸流式渦輪噴氣發動機卻有著一項致命的弱點。

渦輪扇葉發動機

軸流式渦輪噴氣發動機的確是相當優秀的發動機,但是它卻有個問題--它吸入太多空氣了!早期發動機受限於冶金科技的不足,用來製作發動機的材料強度不夠,雖然發動機吸入許多空氣,但卻無法即時壓縮它們,這些空氣就在燃燒室隨便點燃後就希哩呼嚕排出來,燃油不但沒化為推力,反而變成一串串黑煙,全都浪費掉了。如此差勁的燃油效率是當年軸流式渦輪噴氣發動機的設計師萬萬沒想到的,為了解決此一問題,渦輪扇葉發動機就如此聞世了。

渦輪扇葉發動機的核心主要還是由壓縮機、燃燒室和渦輪機組成,但在前面還有再安裝一具巨大的風扇和旁通導管。和軸流式渦輪噴氣發動機不同的是,大部份的空氣都是被風扇吸進去,隨著旁通導管不經壓縮、不經燃燒直接排出去。軍用渦輪扇葉發動機依型號不同,大約有40%~70%的空器進入旁通導管,民航機的旁通比甚至會高達90%!!

這時你可能會問:「慢著!這麼多空氣都沒進入發動機,那推力是那裡來的?」請注意,雖然吸氣量很重要,但我在前文一直強調壓縮比。壓縮比才是評量發動機推力的重要關鍵。發動機工程師在理解到軸流式渦輪噴氣發動機的問題後,便著手降低發動機的吸氣量。吸入的空氣較少,代表發動機無須費勁便能輕易壓縮這些空氣,所以和軸流式渦輪噴氣發動機比起來,渦輪扇葉發動機的壓縮機及渦輪機級數較少,但壓縮比卻更為提高,進入燃燒室的高壓空氣也終於能和燃料充份混合,燃油效率大幅提高,這不光是增加推力,也增加了飛機的最大航程。而流經旁通管道的空氣也有助於冷卻發動機,這點相當重要,因為越高的燃油效率也伴隨大量熱能,不冷卻的話發動機是會被熔成一塊廢鐵的。而根據旁通比例的不同,渦輪扇葉發動機也分為高旁通比與低旁通比兩種。

(一)高旁通比渦輪扇葉發動機:各位可能不知道的是,第一代渦輪扇葉發動機主要是用於民間客戶。民航機比軍用機更要求燃油效率及最大航程進而使用高旁通比渦輪扇葉發動機。軍用飛機從美國空軍的F-X計畫也開始始用高旁通比渦輪扇葉發動機。此發動機優異的燃油效率和最大推力使得使用它的飛機在次音速擁有絕佳的加速性能及爬升率。以F-15F-100發動機和F-4J-79發動機做比較,前者在不開啟後燃器的狀態下比後者後燃器全開下的推力還要大。但即使如此,高旁通比渦輪扇葉發動機還是要使用後燃器才能讓飛機飛進超音速。因為在飛機高速飛行時,巨大的風扇反而會成為阻力,進而影響飛機超音速性能。F-15的最大理論速度是2.5馬赫,但在使用F-100發動機後,其最高速度到1.74馬赫就再也衝不上去了。發動機設計師會了能讓飛機達到廠商宣稱的超音速性能,他們設計在渦輪扇葉發動機開啟後燃器時注入比軸流式渦輪扇葉發動機還要更多的燃油。這對民航機或許沒差,但對軍用機來說可就麻煩了,因為飛機之前在次音速飛行時好不容易省下來的燃油卻在開啟後燃器時一口氣燒光光,反而違背了當年使用渦輪扇葉發動機的初衷。而解決方案呢?當然是走回頭路啦。

(二)低旁通比渦輪扇葉發動機:有鑑於高旁通比渦輪扇葉發動機差勁的超音速性能,低旁通比渦輪扇葉發動機因而聞世。受益於現今先進的冶金科技,使得發動機能吸入更多空氣且不會因而降低壓縮比。所以設計師便使用較小的風扇和旁通導管,不但降低了阻力,且流經旁通導管的空氣依舊足夠冷卻發動機並提供後燃器燃燒。美國的低旁通比渦輪扇葉發動機F-119和過往高旁通比渦輪扇葉發動機不同的是,不但風扇和旁通管較小(旁通比只有20%),其壓縮機的葉片更彎曲也更厚以壓縮大量空氣,這使得F-119再不開啟後燃氣的推力比F-100發動機後燃氣全開的推力還要大,這也讓使用它的F-22戰鬥機在不開後然器的狀態下能達到1.72馬赫超音速巡航五分鐘,過去F-15開啟後燃器後就算能達這速度也頂多撐一分鐘罷了。然而這種優秀的發動機就代表了航空未來的發展了嗎?

結論

美國用來取代F-16戰鬥機的新式匿蹤戰機--F-35戰鬥機卻反其道而行,使用了旁通比高達50%F-135高旁通比渦輪扇葉發動機。F-135發動機其核心和F-119發動機一樣,但更高的旁通比讓它的燃油效率比F-119發動機還要好,當然也犧牲了加速性能和超音速性能。但F-35並非特別要求空戰性能,密接空中支援和戰鬥轟炸也是F-35的任務之一,這些任務更要求飛機的滯空時間和最大航程。過往活塞發動機能讓飛機在空中停留至少四小時,現在的渦輪噴氣發動機光要撐兩小時就已經很吃力了,而高旁通比渦輪扇葉發動機為執行這些任務的飛機提供了解答。而低旁通比渦輪扇葉發動機依舊會繼續發展以提供未來高性能的空優戰機,其核心再用來發展高旁通比發動機。未來,將是高旁通比渦輪扇葉發動機和低旁通比渦輪扇葉發動機之間的戰爭。

參考資料

戰鬥機聯隊之旅----此乃航空迷之聖經。

圖解戰鬥機事典----初學者入坑專用參考書,不過我現在都把它當童話故事書。

美國最尖端武器●空軍:F-35閃電戰機----世界飛機週刊停刊了......不然我也不會買這本。
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話說,我在很久以前有在本版留下三篇「航空名人堂」的文章,雖然得到不少GP,但回文卻是少之又少,當時的我受得打擊不小。後來得到友人的鼓勵,才讓我有勇氣再發這篇。如果你真的很喜歡我的文章,多回幾句話、讓我知道這世上還是有志同道合的朋友(不要再留簡短訊息了)。GP這玩意兒真的不用給......我只要您的認真討論。如果回文有超過十篇以上,你就能提供足夠的勇氣讓我再寫下一篇。

喔對!我先來預告一下,我的下一篇將會是「前進空中管制機」。這和軍用戰鬥機、攻擊機和轟炸機有很大的不同,但卻是很重要的戰力加倍器。至於各位能不能看到這篇文章,就看各位捧不捧場啦。

本文只會發在「軍事策略」版,果然還是這版有人情味啊。
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