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壹、源起
在這類型帶有壓縮機的燃氣渦輪發動機中,渦輪軸(Turboshaft)發動機出現得較晚,但目前已廣泛運用在直升機及飛機上。渦輪軸發動機於1951年12月開始裝置在直升機上進行首次飛行。當時被歸類於渦輪螺旋槳(Turboprop)發動機之內,並沒有自成一系。之後隨著直升機在軍用及商用、民用上逐漸普遍使用,至此渦輪軸發動機才與渦輪螺旋槳發動機分道揚鑣。
貳、發動機結構
在運轉過程及構造上,渦輪軸發動機與渦輪螺旋槳發動機很相近。兩者都是由渦輪扇(Turbofan)發動機的原理演變而來,同樣源自渦輪噴射(Turbojet)發動機,只不過後者將風扇變成了螺旋槳,而前者將風扇變成了直升機的旋翼。除此之外渦輪軸發動機也有自己的優點:一般裝有自由渦輪(即不帶動壓縮機,專爲輸出功率用的渦輪),且主要用在直升機及飛機上。
在構造上渦輪軸發動機也有如同燃氣發動機的基本構造,如進氣道、壓縮機、燃燒室、尾管等,但此型式的發動機一般都裝有自由渦輪。在壓縮機前端是數級普通渦輪,以此帶動壓縮機,維持發動機運轉,在後面的是數級自由渦輪,燃燒的氣體在其中作功,透過傳動軸來帶動直升機的主旋翼(Mail rotor)及尾旋翼(Tail rotor)旋轉,使升空飛行。此外從渦輪流出來的燃燒氣體,經過尾管噴出可産生一定的推力,由於噴流的速度不大因此推力很小,若折合爲功率約僅占發動機總輸出功率的十分之一左右。有時噴流速度過小,甚至不會產生推力。爲了合理地安排直升機的機身結構,渦輪軸發動機的尾管可以向上、下、兩側彎曲,並不一定要如渦輪噴射發動機的尾管須與發動機同一軸線,非常有利於直升機設計時整體結構的安排。並適用於固定翼航空器。
渦輪軸發動機主要是用於直升機,發動機的傳動軸與主旋翼軸配合,構成了直升機的動力系統。依渦輪扇發動機的理論而言,主旋翼的直徑愈大愈好。同樣的核心發動機,産生同樣的循環功率,所配合的主旋翼直徑愈大,則在主旋翼上所産生的升力愈大。事實上因在能量轉換過程中會有損失,主旋翼也不可能製造為超大型,所以主旋翼直徑有所限制。一般而言通過主旋翼的氣體流量是通過渦輪軸發動機的氣體流量的500至1000倍。
與渦輪軸發動機及直升機常用的另一種動力系統——活塞式發動機相比,渦輪軸發動機的輸出功率比要大得多,約在2.5以上。且就發動機所産生的功率來說,渦輪軸發動機也大得多,目前使用中的渦輪軸發動機所産生的功率,最高可達6,000馬力(HP)甚至10,000馬力,活塞式發動機則相差很遠。在經濟效益上,渦輪軸發動機的耗油率略高於最好的活塞式發動機,但所用的航空煤油要比前者所用的航空汽油便宜,如此在操作成本上得到了彌補。而渦輪軸發動機也有其不足之處,因發展自渦輪噴射發動機,所以結構複雜在製造上比較困難,故製造成本也較高。
在傳動附件部份方面,即所謂的齒輪箱。由於直升機的主旋翼轉速比發動機本身更低,因此需要有比渦輪螺旋槳發動機更重更大的減速齒輪箱,有時齒輪箱的重量竟占發動機總重量一半以上。若渦輪軸發動機使用於飛機上,減速齒輪箱主要為發動機的傳動軸連接螺旋槳用。齒輪箱的功能如同噴射發動機一樣,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。
在這類型帶有壓縮機的燃氣渦輪發動機中,渦輪軸(Turboshaft)發動機出現得較晚,但目前已廣泛運用在直升機及飛機上。渦輪軸發動機於1951年12月開始裝置在直升機上進行首次飛行。當時被歸類於渦輪螺旋槳(Turboprop)發動機之內,並沒有自成一系。之後隨著直升機在軍用及商用、民用上逐漸普遍使用,至此渦輪軸發動機才與渦輪螺旋槳發動機分道揚鑣。
貳、發動機結構
在運轉過程及構造上,渦輪軸發動機與渦輪螺旋槳發動機很相近。兩者都是由渦輪扇(Turbofan)發動機的原理演變而來,同樣源自渦輪噴射(Turbojet)發動機,只不過後者將風扇變成了螺旋槳,而前者將風扇變成了直升機的旋翼。除此之外渦輪軸發動機也有自己的優點:一般裝有自由渦輪(即不帶動壓縮機,專爲輸出功率用的渦輪),且主要用在直升機及飛機上。
在構造上渦輪軸發動機也有如同燃氣發動機的基本構造,如進氣道、壓縮機、燃燒室、尾管等,但此型式的發動機一般都裝有自由渦輪。在壓縮機前端是數級普通渦輪,以此帶動壓縮機,維持發動機運轉,在後面的是數級自由渦輪,燃燒的氣體在其中作功,透過傳動軸來帶動直升機的主旋翼(Mail rotor)及尾旋翼(Tail rotor)旋轉,使升空飛行。此外從渦輪流出來的燃燒氣體,經過尾管噴出可産生一定的推力,由於噴流的速度不大因此推力很小,若折合爲功率約僅占發動機總輸出功率的十分之一左右。有時噴流速度過小,甚至不會產生推力。爲了合理地安排直升機的機身結構,渦輪軸發動機的尾管可以向上、下、兩側彎曲,並不一定要如渦輪噴射發動機的尾管須與發動機同一軸線,非常有利於直升機設計時整體結構的安排。並適用於固定翼航空器。
渦輪軸發動機主要是用於直升機,發動機的傳動軸與主旋翼軸配合,構成了直升機的動力系統。依渦輪扇發動機的理論而言,主旋翼的直徑愈大愈好。同樣的核心發動機,産生同樣的循環功率,所配合的主旋翼直徑愈大,則在主旋翼上所産生的升力愈大。事實上因在能量轉換過程中會有損失,主旋翼也不可能製造為超大型,所以主旋翼直徑有所限制。一般而言通過主旋翼的氣體流量是通過渦輪軸發動機的氣體流量的500至1000倍。
與渦輪軸發動機及直升機常用的另一種動力系統——活塞式發動機相比,渦輪軸發動機的輸出功率比要大得多,約在2.5以上。且就發動機所産生的功率來說,渦輪軸發動機也大得多,目前使用中的渦輪軸發動機所産生的功率,最高可達6,000馬力(HP)甚至10,000馬力,活塞式發動機則相差很遠。在經濟效益上,渦輪軸發動機的耗油率略高於最好的活塞式發動機,但所用的航空煤油要比前者所用的航空汽油便宜,如此在操作成本上得到了彌補。而渦輪軸發動機也有其不足之處,因發展自渦輪噴射發動機,所以結構複雜在製造上比較困難,故製造成本也較高。
在傳動附件部份方面,即所謂的齒輪箱。由於直升機的主旋翼轉速比發動機本身更低,因此需要有比渦輪螺旋槳發動機更重更大的減速齒輪箱,有時齒輪箱的重量竟占發動機總重量一半以上。若渦輪軸發動機使用於飛機上,減速齒輪箱主要為發動機的傳動軸連接螺旋槳用。齒輪箱的功能如同噴射發動機一樣,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。
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