2013年10月4日 星期五

渦輪噴射引擎漫談(part2)

噴射渦輪引擎漫談(part2 )
我們繼續漫談渦輪噴射引擎,part 1已經說到了噴射的原理跟一只洩氣的氣球噴出空氣的作用類似,而渦輪噴射引擎就如同一只可控制方向又能持久噴氣的洩氣氣球。 
現在讓我們來看看要如何操作並持續這只機械氣球:基本上也是前文介紹到的,渦輪噴射引擎由前端將空氣吸入,將空氣壓縮、減速到一個適合燃燒的狀態,然後餵一些燃料,放把火,這些在煉獄內焠煉的空氣快速膨漲成高溫高壓的氣體,最後留條出路-----如同氣球的氣嘴,高壓的氣體就循此通路快速噴出,中間再用水車在中間偷一點能量到前端去壓縮空氣。噴出的氣體產生的反作用力就是推動飛機向前飛的推力。以下我就從談起,務必把這2000字湊齊…..
進氣道  進氣道其實是飛機的一部份,它的任務是要讓外界的空氣在通過前機身外表面的擾動後還能以最均勻穩定的流動形式進入引擎,以使首當其衝的壓縮機能正常吞嚥。各位讀者要知道當年IDF計畫的這一部份設計可不是主導引擎開發的另一子計畫設計的,而是由主導機體設計研發的鷹揚計畫(這是民間老百姓比較聽說過的計畫名稱)進行的,兩個計畫中間是以一個叫”AIP”(氣動力介面平面)虛設平面作為疆界,界線內是引擎的最前線壓縮機,它會以引擎的進氣規範要求”AIP”進來的氣流分佈品質,而氣動力設計單位則需設計一條管子將外流場的氣流變成內管流,並讓內管流在流進AIP前能符合引擎端的氣流品質要求。設計進氣道就是要因勢利導,讓外界的空氣在流入引擎前能維持最好的內管流的氣流品質以提高引擎的效率,它不但要儘量減少進來氣流的阻力或能量消耗且要在AIP前均勻減速到最大的正面壓力(***在物理學中,低於音速的氣流在漸闊的管子中流動,速度會降低,壓力會上升),在這種條件下,越能減少氣流行經路徑的、越能直達的、越能擺脫前機身影響的設計便越接近理想。這種理想的進氣道常可在客機上看到,各位注意到了嗎?747懸在機翼上那又直又短又遠離機身的四具引擎,進氣道都快可忽略了,以引擎進氣的要求觀點是夠理想的了。戰鬥機由於機小、外掛的要求多,引擎的配置通常會放在機身中段內,進氣道的設計可就費神多多了,它要不就像F100或米格21,把整個前機身的寶貴空間讓出,要不就像IDF一樣,把進氣道東繞西繞的。IDF也還好,一個進氣道侍候一只引擎,若像F104類的單引擎飛機,將進氣道一拆為二,設計或製造的一點失誤可能在進氣能量的損失上就離理想更遠了。飛機設計原就具高度的妥協性,進氣道尤為典型,上述的設計基本要求之外,它的位置及形狀還得考量橫截面、機身翼根的亂流、超音速次音速氣流操作、機構重量、主輪艙、機內裝備甚至機砲排煙等等限制條件,渦輪螺旋槳引擎(渦輪噴射引擎的一種衍生形)更有其他考量,所以要想看到能照抄的設計簡直不可能。更深入的進氣道設計的原理希望以後能有機會另外專文深入淺出一番。

壓縮機  這是引擎將外界空氣動能轉換成位能的一個地方,依其設計分成離心式壓縮機和軸流式兩類(見上圖),目的相同,或許各位讀者會發現H牌冷氣機的迴轉式壓縮機並不在這兩種分類之列,有本事或也可想辦法應用在渦輪噴射引擎中。離心式壓縮機藉著中心軸帶動輪葉旋轉(有點像洗衣槽底由馬達帶動的底盤)使進入該區的氣流因離心力加速而轉向離心的方向,同時並因氣流流向離心方向相當於流向較大截面的過程(見圖的左側箭頭),所以會有減速增壓的效應。氣流在速度相抵減並增壓後,在終點等著這些被甩出來的氣流的是擴散器,係一組與輪葉盤緣相切的葉片,各葉面之間構成的通道順著甩出氣流的路徑漸次擴增,使得氣流於此再度減速增壓(見下圖,利用進氣道漸闊部份相同的設計原理)。從此流出的加壓減速的氣流就可以等著進燃燒室了。
另一種叫軸流式壓縮機,它的操作方式是透過效率較低、但卻可以多級增壓的螺旋槳加速加壓過程將氣流傳遞到下游的燃燒室去。這種壓縮機由多級的壓縮段串成,每一級的壓縮段都是前面一排轉子葉片,後面一排定子葉片。空氣沿軸向先進入高速轉動的轉子之間被加速,過程與飛機、輪船的螺旋槳的推進原理一樣,同時由於轉子們的剖面都設計成翼剖面的形式,所以氣流在兩轉子間一定會經過剖面最厚的地方,即最窄的流通截面,然後隨著轉子厚度漸薄而看起來像個擴散器----氣流減速增壓(減速部分當然會抵消掉部份被加速的能量);通過轉子被加壓加速的氣流隨即進入靜子的領域,後者的安排跟離心壓縮機的擴散器一樣,氣流在這裡純粹做減速增壓的能量轉換。這一級的壓縮過程結束後氣流便隨即進入下一級截面積較小的壓縮段再重覆一次一樣的壓縮過程,如此層層壓縮直到氣流到達燃燒室能點火燃燒的最佳速度及壓力狀態。下圖比較了離心及軸流式壓縮機氣流在各部分增壓加減速的情形,希望給各位明確一點的印象。
引擎的組成元件寫到目前為止都在消耗飛機的能量,目的在將外界原始的空氣營造加工成一最利於燃燒的狀態-----這通常關係著引擎能提供的最佳推力輸出或燃油消耗。氣流經此之後進入燃燒器就是產生動力的開始了。
由於篇幅所限再加上小弟我就是朱自清先生所說的那種下筆不能自休的傢伙,所以看來得將渦輪噴射引擎漫談一文的完結篇再延至part3了斷,還請能聞一以知什的讀友們見諒!

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