close
一、歷史
在第二次世界大戰以前，所有的固定翼航空器皆以活塞式發動機作爲本身的動力來源，但此類型發動機本身並不能産生向前進的動力，而是需要驅動一具螺旋槳(Propeller)，使螺旋槳在空氣中旋轉，以此推動航空器前進。此活塞式發動機與螺旋槳的組合方式，在當時一直是固定翼航空器的固定推進模式，所以很少有航空界人士提出質疑。
到了1930年代末，尤其是在二次大戰中期，由於戰爭的關係促使固定翼航空器的性能有了快速的發展，最高飛行速度可達到時速700至800公里，昇限可達10,000公尺以上，但航空工程師發現到，螺旋槳固定翼航空器的發展似乎達到了極限，儘管航空工程師將活塞式發動機的輸出功率不斷提高，從1,000到2,000仟瓦甚至3,000仟瓦，但固定翼航空器的速度仍沒有明顯提昇。
速度沒有明顯提昇的問題就出在螺旋槳上，當航空器速度達到時速800公里時因為螺旋槳始終在高速運轉，槳葉尖端的部分實際上已接近了音速，在穿音速流場的氣流環境下使得螺旋槳運作效率急劇下降，因此造成推力下降。同時螺旋槳的相對氣流面積較大，帶來的阻力也大，故隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄的情形下，活塞式發動機的運作功率也會急劇下降。這幾個因素結合在一起，故活塞式發動機與螺旋槳的組合推進方式發展到了極限，為了進一步提昇航空器飛行性能，必須採用全新推進方式，於是噴射發動機應運而生。
噴射推進的原理並不陌生，根據牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴射發動機在運轉時，從前端吸入大量的空氣，燃燒後高速噴出，在此過程中，發動機向氣體施加力，使之向後加速，氣體也給發動機一個反作用力，推動航空器前進。這個原理，與氫氣球的原理相同，釋放氣球內的氣體，就會產生反作用力而衝來衝去的。
在1930年代中期，漢斯．馮歐漢(Hans Von Ohain)在攻讀博士學位時，就堅信將傳統活塞式發動機結合螺旋槳的推進方式汰換為以某種壓縮機驅動的吸氣式燃氣渦輪發動機，如此航空器飛行速度就可大幅提昇。1936年在所就讀的大學教授引荐下認識了當時德國航空工業經營者恩斯特．亨克爾(Ernst Heinkel)，在該企業的資金協助之下，馮歐漢研發出德國首具HeS3b軸流式壓縮段的噴射發動機，並於1939年裝置於He-178實驗機上首次試飛。在同一時期，英國法蘭克．惠特爾(Frank Whittle)伯爵於1930年取得燃氣渦輪發動機的第一個專利，並於1941年研發出W1離心式壓縮段的噴射發動機，並裝置在葛羅斯特(Gloster)E28/39實驗機上於同年5月完成首次試飛，但日後歐美航空界普遍採用的噴射發動機基本構型，卻是衍生自英國發展的基礎。而戰後俄製噴射發動機的基本構型，是衍生自德國的噴射發動機。
二、發動機結構
現代渦輪噴射(Turbojet)發動機的整體結構由壓縮機（冷段）、燃燒室（核心段）、渦輪、尾管及噴嘴（熱段）所組成，戰機使用的發動機在渦輪及噴嘴間還加上後燃器(Afterburing, A/B)。渦輪噴氣發動機仍屬於熱機的一種，故須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此從産生及輸出能量的原理上講，噴射式發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、壓縮、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這四個階段是分階段進行的，但在噴射發動機中則是連續進行的，氣體依次流經噴射發動機各個部份，如此就對應著活塞式發動機的四個運作流程。
發動機前方為壓縮段（冷段），其功能為提高進氣氣流的壓力，空氣流過壓縮機時，壓縮機的工作葉片對氣流做功，使氣流產生壓力，並使溫度升高。在亞音速至次音速飛行時，壓縮機是對流入發動機的氣流增加壓力的主要組件。
經過壓縮機壓縮氣流流入燃燒室（核心段），與航空燃油混和後燃燒。從燃燒室流出的高溫高壓氣體，通過與壓縮機裝在同一條軸上的高壓渦輪葉片轂（熱段）。經過燃燒的氣體部分能量在衝擊高壓渦輪葉片轂後轉化爲機械能，帶動壓縮機旋轉，在渦輪噴射發動機中，氣流在衝擊高壓渦輪時所做的功正好等於壓縮機壓縮空氣所消耗的功，及傳動附件克服摩擦所需的功。氣體經燃燒後，在衝擊高壓渦輪葉片轂前所產生的能量大大增加，因而在渦輪中的氣體膨脹比遠小於壓縮機中的壓縮比，渦輪後端的壓力及溫度都比壓縮機前端高很多，發動機的推力乃是以此部份燃燒氣體的能量而來。
故噴射發動機得以持續運轉就是點燃發動機後，以燃燒後之氣流帶動高壓渦輪，高壓渦輪帶動壓縮段，壓縮氣流持續燃燒，如此循環之。從高壓渦輪葉片轂中流出的高溫高壓氣體，在尾管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向自噴嘴向後排出。此速度比氣流進入發動機時的速度大得多，使發動機獲得了反作用的推力。
而噴射發動機下方為齒輪箱，即為發動機傳動附件部份，主要是做為提供發動機軸心潤滑油、航空器液壓油與連接航空用發電機，以提供航空器電源並維持發動機運轉順暢。
一般而言，當氣流自燃燒室排出時的溫度越高，輸出的能量就越大，所以發動機推力也就越大。但是受到渦輪葉片材料等的限制，目前只能達到絕對溫度1,650度左右，現代戰機有時需在短時間內增加推力，就在高低壓渦輪轂後再加上一個後燃器以噴入燃油，始未充分燃燒的氣體與噴入的燃油混合再次燃燒，由於後燃器內無旋轉組件，故溫度可達絕對溫度2,000度，可使發動機推力增加至1.5倍左右。其缺點是耗油量大，同時過高的氣體溫度也影響發動機的壽命，因此發動機開啟後燃器一般是有時間限制，在低空時約十幾秒且大多用於起飛或接敵時，在高空則可開起較長的時間。
三、延伸發展
隨著航空用燃氣渦輪技術的不斷進步，航空工程師們在渦輪噴射發動機的基本架構上，延伸發展出多種噴射發動機，如依氣體增壓技術的不同，有衝壓噴射發動機及脈動噴射發動機；另依能量輸出效率的不同，有渦輪扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機及螺旋扇發動機等。
噴射發動機儘管在低速時耗油量要大於活塞式發動機，但其優異的高速及加速性能使其迅速取代了後者，成爲目前的航空發動機主流。
在第二次世界大戰以前，所有的固定翼航空器皆以活塞式發動機作爲本身的動力來源，但此類型發動機本身並不能産生向前進的動力，而是需要驅動一具螺旋槳(Propeller)，使螺旋槳在空氣中旋轉，以此推動航空器前進。此活塞式發動機與螺旋槳的組合方式，在當時一直是固定翼航空器的固定推進模式，所以很少有航空界人士提出質疑。
到了1930年代末，尤其是在二次大戰中期，由於戰爭的關係促使固定翼航空器的性能有了快速的發展，最高飛行速度可達到時速700至800公里，昇限可達10,000公尺以上，但航空工程師發現到，螺旋槳固定翼航空器的發展似乎達到了極限，儘管航空工程師將活塞式發動機的輸出功率不斷提高，從1,000到2,000仟瓦甚至3,000仟瓦，但固定翼航空器的速度仍沒有明顯提昇。
速度沒有明顯提昇的問題就出在螺旋槳上，當航空器速度達到時速800公里時因為螺旋槳始終在高速運轉，槳葉尖端的部分實際上已接近了音速，在穿音速流場的氣流環境下使得螺旋槳運作效率急劇下降，因此造成推力下降。同時螺旋槳的相對氣流面積較大，帶來的阻力也大，故隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄的情形下，活塞式發動機的運作功率也會急劇下降。這幾個因素結合在一起，故活塞式發動機與螺旋槳的組合推進方式發展到了極限，為了進一步提昇航空器飛行性能，必須採用全新推進方式，於是噴射發動機應運而生。
噴射推進的原理並不陌生，根據牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴射發動機在運轉時，從前端吸入大量的空氣，燃燒後高速噴出，在此過程中，發動機向氣體施加力，使之向後加速，氣體也給發動機一個反作用力，推動航空器前進。這個原理，與氫氣球的原理相同，釋放氣球內的氣體，就會產生反作用力而衝來衝去的。
在1930年代中期，漢斯．馮歐漢(Hans Von Ohain)在攻讀博士學位時，就堅信將傳統活塞式發動機結合螺旋槳的推進方式汰換為以某種壓縮機驅動的吸氣式燃氣渦輪發動機，如此航空器飛行速度就可大幅提昇。1936年在所就讀的大學教授引荐下認識了當時德國航空工業經營者恩斯特．亨克爾(Ernst Heinkel)，在該企業的資金協助之下，馮歐漢研發出德國首具HeS3b軸流式壓縮段的噴射發動機，並於1939年裝置於He-178實驗機上首次試飛。在同一時期，英國法蘭克．惠特爾(Frank Whittle)伯爵於1930年取得燃氣渦輪發動機的第一個專利，並於1941年研發出W1離心式壓縮段的噴射發動機，並裝置在葛羅斯特(Gloster)E28/39實驗機上於同年5月完成首次試飛，但日後歐美航空界普遍採用的噴射發動機基本構型，卻是衍生自英國發展的基礎。而戰後俄製噴射發動機的基本構型，是衍生自德國的噴射發動機。
二、發動機結構
現代渦輪噴射(Turbojet)發動機的整體結構由壓縮機（冷段）、燃燒室（核心段）、渦輪、尾管及噴嘴（熱段）所組成，戰機使用的發動機在渦輪及噴嘴間還加上後燃器(Afterburing, A/B)。渦輪噴氣發動機仍屬於熱機的一種，故須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此從産生及輸出能量的原理上講，噴射式發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、壓縮、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這四個階段是分階段進行的，但在噴射發動機中則是連續進行的，氣體依次流經噴射發動機各個部份，如此就對應著活塞式發動機的四個運作流程。
發動機前方為壓縮段（冷段），其功能為提高進氣氣流的壓力，空氣流過壓縮機時，壓縮機的工作葉片對氣流做功，使氣流產生壓力，並使溫度升高。在亞音速至次音速飛行時，壓縮機是對流入發動機的氣流增加壓力的主要組件。
經過壓縮機壓縮氣流流入燃燒室（核心段），與航空燃油混和後燃燒。從燃燒室流出的高溫高壓氣體，通過與壓縮機裝在同一條軸上的高壓渦輪葉片轂（熱段）。經過燃燒的氣體部分能量在衝擊高壓渦輪葉片轂後轉化爲機械能，帶動壓縮機旋轉，在渦輪噴射發動機中，氣流在衝擊高壓渦輪時所做的功正好等於壓縮機壓縮空氣所消耗的功，及傳動附件克服摩擦所需的功。氣體經燃燒後，在衝擊高壓渦輪葉片轂前所產生的能量大大增加，因而在渦輪中的氣體膨脹比遠小於壓縮機中的壓縮比，渦輪後端的壓力及溫度都比壓縮機前端高很多，發動機的推力乃是以此部份燃燒氣體的能量而來。
故噴射發動機得以持續運轉就是點燃發動機後，以燃燒後之氣流帶動高壓渦輪，高壓渦輪帶動壓縮段，壓縮氣流持續燃燒，如此循環之。從高壓渦輪葉片轂中流出的高溫高壓氣體，在尾管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向自噴嘴向後排出。此速度比氣流進入發動機時的速度大得多，使發動機獲得了反作用的推力。
而噴射發動機下方為齒輪箱，即為發動機傳動附件部份，主要是做為提供發動機軸心潤滑油、航空器液壓油與連接航空用發電機，以提供航空器電源並維持發動機運轉順暢。
一般而言，當氣流自燃燒室排出時的溫度越高，輸出的能量就越大，所以發動機推力也就越大。但是受到渦輪葉片材料等的限制，目前只能達到絕對溫度1,650度左右，現代戰機有時需在短時間內增加推力，就在高低壓渦輪轂後再加上一個後燃器以噴入燃油，始未充分燃燒的氣體與噴入的燃油混合再次燃燒，由於後燃器內無旋轉組件，故溫度可達絕對溫度2,000度，可使發動機推力增加至1.5倍左右。其缺點是耗油量大，同時過高的氣體溫度也影響發動機的壽命，因此發動機開啟後燃器一般是有時間限制，在低空時約十幾秒且大多用於起飛或接敵時，在高空則可開起較長的時間。
三、延伸發展
隨著航空用燃氣渦輪技術的不斷進步，航空工程師們在渦輪噴射發動機的基本架構上，延伸發展出多種噴射發動機，如依氣體增壓技術的不同，有衝壓噴射發動機及脈動噴射發動機；另依能量輸出效率的不同，有渦輪扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機及螺旋扇發動機等。
噴射發動機儘管在低速時耗油量要大於活塞式發動機，但其優異的高速及加速性能使其迅速取代了後者，成爲目前的航空發動機主流。
全站熱搜
留言列表
