發動機結構概論（筆記）

        本文為筆者上課一個月來的筆記彙整，難免有誤，謬誤之處還請指證

 

軸流式渦噴發動機中氣流的能量圖，可與下文一同服用

        所謂的渦輪噴射發動機（Turbojet engine）是一種藉由風扇壓縮氣流、燃燒、排出以產生推力，推進飛行器的發動機，按照壓縮段形式又可分為軸流式（Axis Flow）與離心式（Centrifugal），後者受限於阻力問題現已相當少見，此處暫且不談。

        一般來說，現階段渦輪噴射發動機已逐漸被其衍生的渦輪扇葉發動機（Turbofan）廣泛取代，越發稀少，但由於渦扇發動機的核心段依舊為渦噴發動機，故對渦噴發動機的原理仍需要有一定的理解，才能進一步瞭解渦扇發動機的運作。

 

J79是一款典型的軸流式渦噴

        廣泛地來說，渦噴發動機可以分成五個部分，由前而後分別是壓縮段（Copressor）、擴散段（Diffuser）、燃燒段（Combustion）、渦輪段（Turbine）與噴嘴（Exhaust）。壓縮段負責將吸入的氣流提高壓力、降低速度，而擴散段則進一步減緩其速度、增加壓力，並在燃燒室中將壓力逐漸轉換為動能，帶有大量動能的氣流經過渦輪段時會驅動渦輪段後從噴嘴噴出，驅動渦輪段會帶動發動機軸，其中靠近燃燒室的高壓渦輪段為N2軸，N2軸的轉動會直接帶動高壓壓縮段，而低壓渦輪段則是N1軸，負責帶動低壓壓縮段。

        另，渦輪噴射發動機在啟動時會先由氣動啟動馬達帶動N2軸。N2軸的轉動會使發動機開始吸入空氣，從而使發動機開始運作，當發動機轉速到達慢俥時，啟動馬達便會脫離N2軸，讓發動機倚靠自身壓縮段及渦輪段的運作來轉動。

 

        從整體的作用原理來說，產生推力的根本方式是讓氣流離開噴嘴時具有更大的加速度，藉以對發動機本身產生一股反作用力，也就是推力，這也衍生出一個有趣的問題，既然重點是加速度，為何還需要壓縮、燃燒，而不是直接用風扇給予加速度呢？

        事實上直接用風扇給予加速度的做法在飛機的黎明期就有出現過，也就是匈牙利工程師亨利．康安達（Henri Coanda）的Coanda1910，這種飛機採用了風扇與活塞的組合，透過活塞使風扇轉動產生推力，但效率相當不彰，且因為吸入的氣流沒被經過燃燒，而不被認為是真正的噴射機。

        而後航空界的工程師如德國的漢斯．馮．奧海恩（Hans Joachim Pabst von Ohain）、英國的法蘭克．惠特爾（FrankWhittle）、艾倫．阿諾德．格里菲斯（Alan Arnold Griffith）等人則採用了截然不同的設計來產生推力，結果便是上述沿用至今的結構，只是因離心式與軸流式的壓縮段存在差異，而在位置上有所更動。

        1920年代末到1940年代為渦輪噴射發動機奠基時，之所以加上壓縮段與燃燒室是有其道理在的，首先，空氣在被吸入發動機後如果只是單純加速，會嚴重缺乏足夠的能量，故而需要壓縮段將氣流的動能壓縮，轉換為壓力，來增加分子的能量，也就是風扇對氣流做功，為了達到這個目的，發動機壓縮段扇葉間的間隙會逐漸縮小，而軸的體積也會逐漸增大，以壓縮氣流可以行進的空間。

一個很典型的軸流式壓縮段剖面，可以清楚看到附著於內壁的定子與附著於傳動軸的轉子

        氣流雖有從高壓往低壓流動的特性，但在壓縮段中由於轉子（Rotor，位於發動機軸上）不斷推動氣流，並增加氣流的動能、溫度、壓力，所以會不斷地向前，同時經過轉子的氣流會被定子（Stator，又稱作靜子，位於發動機內壁）把氣流的部分動能（流速）轉換為壓力，再把氣流以適當攻角導出

        經過壓縮段的氣流由於在壓縮的過程中，不斷的被轉子推動、壓縮，又被定子把速度減低，故在整個壓縮段會呈現壓力不斷提高、速度不斷下降的情況。

 

        而壓縮段之後的則是擴散段（Diffuser），擴散段的主要目的是空出一段空間，讓流速已經被降低過的氣流再進一步減速，以防止進入燃燒室的氣流流速過快，出現將點火塞上的火焰吹熄、或者是造成燃燒氣流不均的情況。而不同於下文將會提到的渦輪段運作，對氣流而言，空間雖然同樣是突然變大，但擴散段的氣流本身的壓力是較高的，而整個擴散段中的壓力幾乎不變，不似渦輪段，從燃燒室流出的氣流壓力是大氣壓力數倍，故會因高壓往低壓流動的原理，將壓力釋放、提升速度，相反的，由於壓力幾乎沒有改變，氣流的截面積又擴大，要推動氣流流動就需要消耗更多的動能，也就達成擴散段消耗動能的目的。

 

 

 

        在燃燒段中，最初僅有20%的氣流會進入燃燒室的完全燃燒段，其餘80%的氣流則會自兩旁的冷卻通道流通，以達到冷卻燃燒室的效果。在流通過程中，最早在完全燃燒段會有額外20%的空氣自燃燒罐的氣孔流入，與一開始進入的空氣混合燃燒，而在稀釋區（DilutionZone）中，原先自冷卻通道流動的低溫氣流則會慢慢的與燃燒過的高溫氣流混合，並自燃燒室尾端排出至渦輪段。

        對於燃燒段的設計來說，最困難的當屬噴油嘴排出的燃油與氣流如何混合、燃燒如何持續、溫度分布如何使其均勻等。

 

        在燃燒段中，氣流的壓力會緩慢地被轉換為動能，故氣流速度會上升，而壓力慢慢下降，當氣流自燃燒段衝出後，由於空間較燃燒段為大，加之氣流高壓往低壓流動的特性，氣流會不斷往後衝，同時將壓力釋放為動能，速度也就不斷提高，產生加速度，進而產生了推力（F=MA）。