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Chiardy · 發表於: 星期四十二月 22, 2005 11:46 pm

另外一篇以前受訓時寫的無聊文章，受限於排版問題，
用Word畫的圖形無法貼上來，請各位大大們見諒，
也請各位大大們指正喔！！

說實話，雖然我一直對於戰鬥機很有興趣，但是我卻一直搞不清楚噴射引擎到底是什麼樣子，怎麼作用的，總以為就是注油然後點火，利用牛頓第三定律的反作用力前進。但是這個其實不是噴射引擎，根本就是火箭。而市面上汽車甚至機車廣告的『第X代噴射引擎』也常常誤導大眾，那也只是噴射供油（Fuel Injections Systems，有別於早期的化油器Carburetors），不是噴射引擎。

噴射引擎包括三種不同的形式：渦輪噴射引擎（Turbo-Jet），渦輪風扇引擎（Turbo-Fan）和渦輪螺旋槳引擎（Turbo-Prop）。

先來看看最基本的Turbo-Jet引擎，就是戰鬥機使用的噴射引擎。大約在第二次世界大戰初期，噴射引擎的理論已經完成，但是等到實驗，冶金等技術成熟，已經是戰爭中末期。而世界上第一架加入實戰的噴射戰鬥機德國Me-262，就是使用兩顆Turbo-Jet引擎。那時的噴射引擎和現今的噴射引擎並沒有太大的差別，只是增加效率，減少體積，改良材質而已。（那些科學家實在是很了不起啊！！）最基本的Turbo-Jet引擎如下圖所示，整個流程分為六個階段：進氣(Intake)，壓縮(Compression)，注油(Diffusion)，燃燒(Combustion)，渦輪扇葉(Turbine)和排氣(Exhaust)段。

第一個階段是進氣段。此階段的重要性在於，噴射引擎無法處理超音速的氣流，只能吸入低於音速的空氣，所以如果是超音速戰鬥機，就必須在進氣段動一些手腳，將氣流速度減至音速以下。

第二個階段是壓縮段。經空氣壓縮，增加位能。利用扇葉，其中接在引擎壁上的葉片為固定式，調整氣流角度，並提供壓縮，而連在中央轉軸上的葉片則提供能量將空氣向後帶。每一個壓縮組（一圈固定葉片加一圈轉軸上的葉片）約提供1.2：1的壓縮比。隨著空氣被壓縮，體積下降，壓力及溫度會大幅上升，所以越後面的葉片強度要越高。而葉片設計，其實每一片葉片就是一片小螺旋槳，利用白努力定律的原理，吸入空氣，帶到後方。所以基本上，一架飛機真的就是白努力定律的完美呈現，從引擎到飛機外部設計，都是白努力定律的應用。

接著壓縮空氣進入注油段，和燃油（主成分為煤油）混合，再進入燃燒段點火燃燒。將化學能轉為動能，用於推動後方之渦輪扇葉。

當空氣通過渦輪扇葉段（設計原理和壓縮段一樣，一圈固定葉片，一圈連在轉軸上之葉片），推動連接扇葉的轉軸。而次此轉軸跟前方之壓縮段轉軸是相連的，也就是兩者之轉速是同步的。換句話說，就是將被壓縮並燃燒的空氣能量，用於轉動渦輪扇葉，帶動前方之壓縮段，吸入並壓縮空氣，週而復始。在747的引擎上，最後一圈的渦輪扇葉，每一『片』葉片就可以提供超過一輛F-1賽車的馬力！！

最後就是排氣啦。此時空氣仍具有相當的動能，利用牛頓第三定律的原理，運用反作用力提供前進的力量。Turbo-Jet的推力100%來自於排放的廢氣。

一個活塞引擎和噴射引擎很大的不同點，就是活塞引擎吸入的空氣將完全用於燃燒，多餘之燃油用於冷卻引擎（燃油比例高於空氣）。但是在噴射引擎，大約只有15-20%之空氣用於燃燒（其他的用於冷卻及壓縮用），所以排出的廢氣仍然是富氧(Oxygen Rich)的空氣（空氣比例遠高於燃油）。因此，如果在排氣段再注入一次燃油，仍然可以加以點火燃燒，就可以再一次運用牛頓第三定律，提供反作用力前進。這個就是後燃器(After Burner)的原理。

這就是基本的噴射引擎。但是如果需要更高的壓縮比，就需要很長的壓縮段及渦輪扇葉段，這樣不但效率低，中央的轉軸也容易受損（一個壓縮段和相對應的渦輪扇葉段為一組）。因此現代飛機都將高速和低速的扇葉段分開，所以不是只有一組，而是分為兩到三組（例如英國製的勞斯萊斯引擎就是很有名的三組結構，造價高昂，但是效率較佳），使各組有其適當的轉速，強度及效率，並提供不同用途。

有人可能會覺得奇怪，沒錯，戰鬥機的噴射引擎的確大約就是長這個樣子，但是噴射客機的怎麼好像不一樣？還有，有些螺旋槳客機（如國內航線的福克-100型或是Dash-8型螺旋槳客機），甚至許多直昇機，美國的M-1戰車，一些現代的船艦，也號稱是噴射引擎，可是也看不到一根直統統的噴射引擎啊？我先介紹不同的噴射引擎，再來分析他們的差異和特性。

先來看看渦輪螺旋槳引擎（Turbo-Prop）。其實這種引擎，正確的說是拿噴射引擎的推力來推動傳動軸，再帶動螺旋槳，所以他正確的歸類應該是渦輪傳動軸引擎(Turbo-Shaft)，只是因為他帶動的是螺旋槳，所以乾脆叫做Turbo-Prop（Propeller的簡寫）。簡單的說，Turbo-Prop引擎的中心還是一部結構完全同上的噴射引擎，但是在最前端使用齒輪箱，調整轉速，用來帶動螺旋槳，然後最後方的渦輪扇葉段，多設幾組葉片，將排氣能量完全運用，也就是100%的廢氣能量用於推動渦輪扇葉。（圖形後段省略）

除了利用變速箱，近代多組式設計的壓縮段∕渦輪扇葉段組合，就是利用低速段來帶動傳動軸。當然，可以連接螺旋槳推通動飛機，當然也可以連接傳動軸，由傳動軸推動輪子，通動船隻的螺旋槳，推動直昇機的螺旋槳……所以才會造就渦輪引擎的直昇機，戰車，船艦。這些噴射引擎，也有人稱為燃氣渦輪引擎。而壓縮段的工作方式，除了上述的方式外，像是戰車，直昇機，因為空間小，在前端壓縮段就是使用另一種方式（盤式壓縮器，Centrifugal Compressor，就像是汽車渦輪增壓裝置的壓縮盤）來壓縮，而不是前述的軸流式（Axial Flow）。很難想像，一顆直昇機用的渦輪噴射引擎，大約是我們小手臂的長度，直徑約整個手掌張開的長度，竟然可以榨出400匹馬力！難怪用燃氣渦輪引擎的M-1戰車50噸的重量，還可以幾秒內從靜止加速到70多公里的時速，在戰場上奔馳。盤式壓縮器優點是短小，強度高，缺點是盤式壓縮器因為各種考量，無法做到很大，也無法做到很多段，而且重量相較下也重得多。

最後一種噴射引擎是渦輪風扇引擎（Turbo-Fan），也就是大多數噴射客機使用的噴射引擎。Turbo-Fan 其實是介於Turbo-Jet與Turbo-Prop之間。Turbo-Fan的核心也一顆Turbo-Jet引擎，但是她最前方的第一組葉片並不是壓縮段的扇葉，而是一組大型的螺旋槳。也就是說，核心引擎推動的，除了壓縮段之外，還有最前方的一組大型風扇。這段風扇其實就是一組螺旋槳。但是與Turbo-Prop不同的是，Turbo-Fan的廢氣依然具有推力，大約80%的推力來自於第一組螺旋槳，剩下的廢氣提供20%的推力。

在Turbo-Fan引擎，空氣進入核心引擎，和被拿來讓第一組扇葉推動的比例，叫做旁通比(By Pass Ratio)。旁通比愈高的引擎，其特性愈接近Turbo-Prop引擎，反之低的則接近Turbo-Jet引擎。而Turbo-Jet引擎的旁通比為0。

為什麼要有這些不同的設計？因為低速下，螺旋槳具有最佳的推進效率，但是當速度超過300哩∕小時，則螺旋槳的推進效率會大幅下降（因為螺旋槳最外圍處速度接近甚至超過音速，產生震動和擾流），此時廢氣推進的重要性增加。當接近並超過音速時，就只能靠廢氣推進。同時，速度越高，空氣除了被吸進去引擎外，空氣其實也是被強制『壓』進去引擎裡，減輕壓縮段的負擔。所以，速度越快，Turbo-Jet引擎的效率越高，相反的在低速下Turbo-Jet引擎效率極差。在300哩∕小時左右，Turbo-Prop效率可達88%，Turbo-Fan約60%，Turbo-Jet僅有40%。而600哩∕小時左右（大約是747的巡航速度），Turbo-Fan約90%，Turbo-Jet則為70%（Turbo-Prop飛不到）。到了800哩∕小時，Turbo-Jet可達85%。可見愈高的速度愈適合Turbo-Jet，低速則以Turbo-Prop最為適當，而Turbo-Fan則兼具上述二者的特性。所以戰鬥機都是使用Turbo-Jet引擎，以求高速性能。國際線客機，講求省油，安全性及不同速度速度下的效率，自然Turbo-Fan引擎就是首選了。而Turbo-Prop最適合短線及不需要要求高速的飛機。Turbo-Fan引擎另一個安全上的特性，就是雖然引擎正面面積很大，但是實際上核心引擎的部分很小，所以即使是遭到外物撞擊，例如鳥擊，大部分的機會都只是會由扇葉後方排出，只會造成扇葉損壞，不容易（比例少）被吸進去核心引擎造成嚴重的故障甚至爆炸。但是如果是Turbo-Jet引擎一旦吸入外物直接就近入核心引擎，立刻造成無法挽回的損害，所以軍用機吸入飛鳥幾乎都會墜毀，而商用客機大多沒事。所以大家乘坐噴射客機可以不必太顧慮喔！

MIMIC-小義 · 灌水王

感謝大大ㄉ分享阿^^

turner · 發表於: 星期五十二月 23, 2005 7:24 pm

讚讚讚~~~