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2010/12/09

燃燒室與渦輪

燃燒室
經過壓縮的高壓空氣中,由注油系統引進燃油使其燃燒,形成適合渦輪(Turbine)之高溫氣體。燃油在燃燒室(Combustion Chamber Burner)前端附近形成霧狀的燃燒圈,只有在發動機剛啟動時,須靠點火系統來點燃外,一經點燃,就靠火焰持續燃燒下去。這部份燃燒圈除可將壓縮機送來的氣流流速予以降低外,並可預防逆流或渦流(Swirl)火焰吹熄,還可保持空氣與燃油的混合比(以重量為單位),約在14~18:1間以提高燃燒速度。

燃燒圈的溫度部份可高達攝氏1600~2000度,如此高溫使得燃燒室本身的結構或渦輪材質無法承受,故須進行冷卻。通常的方式是將燃燒室的內襯筒(Liner)壁面開許多孔,讓原來由旁通過燃燒圈的空氣,經由這些開孔進入,如此除能冷卻壁面外,尚能降低燃氣的高溫。

經由這些方式,能將渦輪進氣溫度(TIT)降到適當值以下。燃氣並經由大量冷空氣稀釋的結果,綜合性的油氣燃燒比變成60~130:1,亦並非配合壓縮機來運送全部的空氣,注入燃油予以燃燒,而是在燃燒圈使用的空氣量(稱為一次空氣)只佔全部的20~30%,其他(二次空氣)皆用來當作冷卻之用。

若燃燒室和渦輪能承受更高溫度,可將油氣混合比調整,提高渦輪進氣溫度,以提升發動機熱效率及增加發動機推力。

燃燒室因長期暴露在高溫中,因此使用厚度為2mm左右,以鎳為主的海氏合金(Hastalloy)等超耐熱合金。也有部份發動機,再其燃燒室壁面施以陶瓷材料的耐熱塗佈(Thermalbarrier Coating)。而渦輪發動機的燃燒室分成下列三種。

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一、罐式燃燒室
將個別獨立的5~10個筒型燃燒罐,並列於圓周上所構成,不但堅固且維修上較容易,早期發動機多屬五種類型。但罐式燃燒室(Can Type)在高空燃燒時不安定,及啟動時狀況多,且在燃燒室出口處氣體溫度分佈不均等缺點,故已不採用。YS-11的達特(Dart)10 Mk 542-10型渦輪螺旋槳發動機亦屬這種型式。

二、環式燃燒室
環式燃燒室(Annuiar Type)就像在一個大直徑的甜甜圈斷面上,開了許多孔。而整體像籠子般的燃燒罐,維修與更換不易,但構造上最簡單,總長度短且壓力損失少。此外,因燃燒狀況安定,及在燃燒室出口氣體的溫度分佈較均勻等優點,目前的新型發動機多採用此種型式。

三、環罐式燃燒室
環罐式燃燒室(Cannular Type)為罐式和環式的整合型,特性也居兩者之間。1960年代所製造的發動機,如普惠(P&W)的JT3D及JT8D渦輪噴射發動機、勞斯萊斯(Rolls-Royce)的史佩(Spey)渦輪噴射發動機、通用電氣(GE)的CT-58渦輪軸發動機等,燃燒室皆屬此型。

此外,燃燒室在發動機中皆位於壓縮機與渦輪間,氣流的流動方向只有一個,但也有一些小型渦輪發動機,燃燒室附在渦輪外側,氣流流動方向呈二度迴轉的方式,如此整具發動機的長度就可縮短些。

渦輪
渦輪是由燃燒室出來的高溫、高壓燃氣,在此處使其膨脹並吸收其能量,或驅動壓縮機,或由此處設置帶出軸出力的裝置。型式上分成輻流式(Radial-Flow Type)及軸流式(Axial-Flow Type)兩種。

輻流式渦輪
輻流式渦輪(Radial-Flow Turbine)的運作方式,請將其想作與離心式壓縮機構造相同的氣流逆向流動方式,早期的部份發動機即採此種設計。而目前在小型的渦輪軸發動機中,有部份亦採用此型式,汽車使用的渦輪增壓器均屬此型。

軸流式渦輪
軸流式渦輪(Axial-Flow Turbine)其膨脹與壓縮或許有差異,但構造上與軸流式壓縮機非常相似。亦渦輪是由靜葉片所組成的定子(Stator)與動葉片的轉子弟(Rotor)組合而成,與壓縮機相同,一組亦稱為一段(Stage)。渦輪入口處與出口處的壓力比稱為膨脹比(Expansionration),一般壓縮比在2左右。在渦輪噴射發動機上,燃氣保持的能量約3/4,在此處變成軸出力,以作為驅動壓縮機之用。

以軸流式發動機為例,一具發動機其壓縮機之壓力比與渦輪之膨脹比幾乎相同,但渦輪的段數較少。一方面這是由於渦輪在較高溫下運轉,另外相較於壓縮機的氣體是低壓往高壓處流動,渦輪卻是較順其自然的自高壓往低壓處流動,所以渦輪運轉較壓縮機省力。

定子亦稱為渦輪噴嘴(Turbinenozzle),每一段有數十片渦輪葉片,並排成環狀固定於機匣上,將燃氣以適當角度高速送出,轉向吹向葉片。噴嘴暴露於渦輪內部的最高溫下,受熱易變形,因此需自壓縮機引入冷空氣予以冷卻。

轉子也是每一段有數十片至百餘片的渦輪葉片,裝設於輪盤(Disk)周圍,接受噴嘴吹來的氣流而旋轉。有在每一段噴嘴與葉片兩者間進行氣體膨漲(亦壓力下降),此種方式稱為被動型渦輪,也有的只在噴嘴進行者,稱為衝擊型渦輪,這兩種皆有優缺點。在實用上,因渦輪在葉片根部與尖端的圓周速度不同,因此有的將葉片予以扭曲,根部為衝擊型,而尖端為被動型。

渦輪受到高溫、噴流所引起的震動、腐蝕作用,而葉片在這些之外,又加上受到離心力的影響,可說是在極為嚴苛的條件下運轉,並且左右發動機的出力、熱效率及耐用性甚大,因此需使用耐高溫、高強度、耐熱疲勞、耐腐蝕性的材料。這些大多以鑷為主(葉片、噴嘴)或以鈷為主等(噴嘴)所謂超耐熱合金鑄段而成。輪盤也是以鎳為主的耐熱合金所製造。使用耐熱金屬粉末燒結(Sintering)的技術已達廣泛的實用階段。

渦輪冷卻
眾所周知,渦輪的工作氣體溫度越高,熱效率高而使發動機出力也會增加。早期的發動機,渦輪進氣溫度不過攝氏700度,但伴隨著耐熱合金的進步,可容許溫度也越來越高。然而就現在使用中的耐熱合金,能長時間直接耐高溫者也受限在攝氏900~950度間,渦輪進氣溫度若要超過此限度,就非得採用特別的方式使渦輪冷卻(Cooling of Turbine)不可。

葉片、噴嘴使用壓縮空氣,由內部予以冷卻,或在金屬元件的表面覆上耐熱材質,經由這些措施,可保護本體在攝氏900度左右,而氣體溫度可達攝氏1000度以上。近年來有新型的渦輪扇發動機,其渦輪進氣溫度也有達攝氏1300度者。渦輪葉片、噴嘴的氣冷方式,是將葉片、噴嘴結構的中空部份,吹入來自壓縮機的空氣,以達到冷卻的效果。依空氣流向與流入的方式,有以下五種冷卻方式。

一、對流冷卻
對流冷卻(Convection Cooling)乃是讓冷空氣通過中空的通道,在減壓時達到將本體冷卻的效果。

二、衝擊冷卻
衝擊冷卻(Impingement Cooling)是將周圍有小孔的鞘狀金屬物(Insert)嵌入中空部份,使鞘狀物內部來的冷空氣衝擊本體內壁的方式,多使用於前緣部位之冷卻。

三、氣膜冷卻
氣膜冷卻(Film Cooling)方式乃是在渦輪葉片開無數小孔(直徑0.05~0.5mm),由這些小孔吹出冷空氣,形成空氣薄膜以保護本體以免高溫受損。

四、散發冷卻
渦輪葉片是使用燒結合金等多孔材質(Porousmaterial)製成。由材質間的微小空隙吹出冷空氣,這種方式稱為散發冷卻(Transpiration Cooling)。由於容易被氣體堵住小孔,現仍處於實驗階段。

因此目前渦輪發動機的渦輪葉片,是採以上數種內部冷卻方式整合而成。這種葉片製造費用甚高,一片高達數千美元。但因有可使發動機性能提升的相對好處,成本上算算還是划得來。然而冷空氣將近佔壓縮機全部空氣流量的1/10,目前已進行如何減量的研究,耐熱塗佈的研發也與此目的相吻合。耐熱塗佈技術是表面覆蓋上一層厚0.2mm左右的氧化鋁或陶瓷,以節省上述的空氣量,此種技術也受到航空界關注。

全權數位發動機控制
全權數位發動機控制(FADEC, Full Authority Digital Engine Control)系統是目前多數的軍機(含戰機)、民航機所使用的發動機控制系統。

由於採用FADEC,發動機的控制由機械式進步到電子式,反應快且更能正確的控制發動機。由於新式的民航機的飛行員多採雙人編制,採用FADEC也減輕了飛行員的工作負荷,並能達到合適且安全操控飛機之目的。

FADEC系統構成的主要核心是電子發動機控制(EEC, Electronic Engine Control)系統,EEC接收飛行員操縱節流閥(油門)時的位置,與發動機或飛機上所裝設的感應器來的各種訊號,控制發動機使其能運轉出最合適的推力。

此外,由於採用FADEC,駕駛艙中由飛行員操縱節流閥時產生的訊號,也由機械式的鋼纜轉變為電子式的電纜或光纖纜線。

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