2013年10月4日 星期五

渦輪噴射引擎漫談(part3;完)

                                              2011/06/03
噴射渦輪引擎漫談忽忽已寫了兩個part了,漫談從噴射的基本物理觀念的介紹開始到邀請大家隨波逐流,跟著氣流經過引擎的一個個主要元件以了解理論化為實際的過程,讀者們或許可以感受到,要我寫這麼長的篇幅絕非歹戲拖棚,而實在是噴射渦輪引擎這個工藝品的發明是門大學問,絕難三言兩語如孔夫子著春秋般地講講微言大意就可以說得清楚的。
語不煩叨絮,part2我們已經隨著氣流到壓縮器被加工成速度較低、密度漸大的空氣了。在此之前都是引擎對外界氣流所作的投資,目的都在要使空氣能最有利於燃燒的狀態進入下一關---燃燒室。
燃燒室的基本要求是容許燃油及空氣在內混合燃燒,並能產生不超出忍溫度的均勻排氣以轉動後面的渦輪。在這裡,燃油和空氣中的部份氧氣是燃料而空氣的剩下部分為被加熱的媒體;燃燒室裡在燃燒發生時空氣被加溫而膨脹,膨脹了的空氣向後通過經過設計的管壁轉換為動能(你要說加速也可以),這便產生我們所需的推進力了。燃燒行為相當複雜,我的本事也僅限於學作鸚鵡的階段,所以就不在這獻醜了。在此可描述的是:壓縮機出來的氣流大概只有二至三成會進入燃燒室中,其餘的大部份空氣會沿燃燒室內壁外緣夾層協助冷卻煉獄” ,然後在燃燒室的後段經由內壁孔洞再與已燃燒完成的高溫燃氣會合,降低出口的整體氣流溫度。至於進入燃燒室的那一部份氣流,在進入時速度還太快而會吹熄後面被點燃的燃氣,所以需經過擴散段作再一次的減速才能進入混合區與高壓噴油嘴噴出霧化的煤油(例如IDF所用的JP8)充分混合。這些流動的混合油氣往下還能幹啥?自然是點把火把給它燒了!產生高熱的氣體在燃燒室後段稀釋區與外壁進來的空氣混合降溫至渦輪葉片能接受的溫度。
   燃燒室大致上有三類設計:第一種叫罐式,這類屬老一代設計的引擎壓縮機的出口有幾個就配屬幾個專屬的獨立燃燒” ,好處是維修容易。第二種叫環式,顧名思義,燃燒室設計於內外同心筒之間,環型對於燃燒的空間利用最為經濟,而襯壁也有最佳的冷卻效果,唯其維修是個大工程,有一元件壞了時便需要拆卸整個引擎,費時費錢。一般用於小型軸流式噴射引擎如F-5用的J-85等。最後一種是環罐式” ,大型噴射引擎多採此種,它的設計是在一個大的環狀筒內排上一圈各自獨立的燃燒罐,截面有點像左輪的彈莢,罐內空間仍司燃燒而罐與環間則為冷卻氣流的通道。以功能及維修的角度看,環罐式身兼二家之長(右)
噴射渦輪引擎的最後一個最重要的部分便是前文提到的水車”---渦輪了,我之所以以水車作比喻主要就是因為其轉換能量的功能完全相同,水車截取流動的水流而被水的動能所帶動而使水車的軸心轉動,即輸出轉動的能量(物理上叫軸功”) ,渦輪機也類似,從燃燒室膨脹而衝出的高速氣流被引導到渦輪機而推動渦輪機轉動輸出軸功。高速氣流的部份動能轉變為渦輪的轉動能量,剩餘的動能在氣體衝出時對飛機的反作用力便成為本文開宗明義所談到的噴射推進力。
既然噴射渦輪引擎的輸出是要把加工後高溫燃氣的熱能儘量轉變為動能,渦輪的設計與前面的壓縮器在某些角度看應是剛好相反的,還記得壓縮器的進氣導片設計將高速的氣流擴散後換取成減速增壓的氣流;渦輪機前面也有固定導片,正好相反,它們將氣流通道排列成漸縮的路徑使得氣流通過後能降壓加速(下);加速了的燃氣進入渦輪機的轉子葉片部份,藉著葉片間形成的通路產生對轉子的反作用力或撞擊力以轉動它們並由渦輪葉片設計使燃氣有較高的膨脹比以獲致較大的降溫。渦輪機的固定導片與渦輪葉片跟軸流式壓縮器一樣都是多級、成對出現的,而各級渦輪常帶動不同級的壓縮器轉子葉片,最後必會有一層導流葉片把最後一級渦輪葉片噴出的氣流導引回飛機的同軸方向。
引擎內氣流最後的流向是進入排氣尾管,引擎在此仍不忘增加氣流動量而使出口推力增加,沒有後燃器的尾管會設計成一前大後小的漸縮管使氣流越接近出口速度越快(設計者對此種引擎最快也不會讓它到達音速,原因牽涉到超音速內流場的物理,希望以後有機會再行介紹)。至於出口的終極速度便由噴嘴的出口面積來決定,任何此面積的調整都會使排氣的溫度速度和壓力都產生變化,推力的控制上也就更複雜,所以一般基於控制成本的考量,噴嘴都是出廠前即固定的。
各位讀者經過此番跟著氣流走透透的引擎遊,相信應可以對這個20世紀人類對噴射應用的最偉大的工藝技術有一些的認知,噴射渦輪引擎有非常多的衍生設計應用於不同的飛行體----甚至發電機上,但基本上都不脫文中介紹到的原理及重要元件。若要援引一個現實中的例子,我想本文能舉出與本公司同仁最貼切的莫過於經國號戰機所用的引擎了,經國戰機的引擎是不折不扣的渦輪噴射引擎,但設計應用上可比上文輕描淡寫的元件組成繁複多了,這個我們習慣叫1042的引擎係一渦輪風扇發動機,(為一種噴引擎的衍生設計),它在壓縮機前加上三級風扇,提供壓縮器整流及引擎旁通氣流氣冷後燃器套筒,一級壓縮器進氣導片,四級軸流式壓縮器和一級離心式壓縮器,環型燃燒室,高低壓各一級渦輪機,後燃器及可變面積噴嘴等。為了讓引擎保持提供飛機最佳控制推力,我們這型引擎可依據許多預佈的感測器提供控制器現況以控制許多影響推力表現的元件保持最佳推力輸出狀況。以一具在合作發展時被美國佬處處設限的軍用引擎而言,”1042”算是一個很合乎現代化輕型戰機需求的控制品質一流的省油引擎了。大家在報章雜誌或口耳相傳看多了推力不足的描述之餘,不妨好好想想它的安全性能及長期操作成本的好處吧。

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