簡聊渦輪噴射發動機與渦輪扇葉發動機

 

        對於多數人來說，噴射機是一個耳熟能詳的詞彙，但噴射機所使用的發動機類別卻是一般人鮮少注意的。

        那麼，噴射機所使用的發動機又分成哪些呢？

 

        以航空史上曾經出現過實機的噴射發動機來說，可以分成三種，分別是熱噴射發動機、渦輪噴射發動機、渦輪扇葉發動機。

        一般來說，噴射發動機吸入氣流後，主氣流都會經過壓縮、燃燒的階段，而渦輪扇葉發動機算的上渦輪噴射發動機的衍生，故而主氣流壓縮、燃燒的原理大致相同，但熱噴射發動機則是以往復式發動機去帶動前面的壓縮段，而缺乏渦輪段的設計，這也讓熱噴射發動機徒增冗重，歷史上採用此種動力的噴射機不多，其中以義大利坎皮尼C.C2最為知名，現今的飛機多是採用渦輪動力。

 

（米格設計局的I250，是一款熱噴射混合螺旋槳動力的混合動力機）

 

        然而，雖說都是渦輪驅動的發動機，渦輪噴射發動機與渦輪扇葉發動機又有所不同，這樣的不同主要出現在旁通道上。

        先來講講渦輪噴射發動機的部分，渦輪噴射發動機具體上分成五大部分，壓縮段、擴散段、燃燒段、渦輪段與排氣尾段，而壓縮段與渦輪段又可分為低壓或高壓壓縮段/渦輪段。

主要的功用上，壓縮段（註）負責把氣流壓縮減速、擴散段則有進一步壓縮減速，以利燃燒室燃燒，燃燒室則對氣流做最後的做功，自燃燒室出來的氣流會流經、帶動渦輪段，而渦輪段又會透過傳動軸帶動壓縮段，使發動機能夠運作，最後氣流會流經排氣尾段，並產生推力。

 

註：壓縮段又可分成離心式及軸流式

 

        那麼，渦扇呢？

 

就像上面提到過的，渦扇與渦噴最大的不同在於旁通道，而旁通道的出現則和第一級壓縮段的演變有關。

如上圖所示，渦扇發動機的第一級有一個龐大的風扇，所有的氣流都會通過這個風扇，但在風扇之後，氣流的去向則一分為二，分成了經過壓縮燃燒的主氣流，以及直接從核心段——壓縮段、擴散段、燃燒段、渦輪段等主要帶動發動機的核心部分之總稱——兩旁通過的次要氣流，也就是所謂的旁通氣流，核心段外側、發動機機匣內側，也就是所謂的旁通道，至若常有人提及的旁通比，則是旁通氣流與主氣流之比值。

        這種設計的出現有效的降低油耗、提高推力，由於旁通氣流不須經過燃燒、只有透過扇葉加速，自然也就降低了油耗，而旁通氣流雖比起核心氣流（主氣流）的動能來得低，但依舊能產生推力，此外，由於旁通氣流的流速較緩，比起同進氣面積的渦輪噴射發動積來說，具有旁通比的渦輪扇葉發動機噪音問題多半小於前者。

 

（低旁通比與高旁通比渦扇的對比）

        而渦輪扇葉發動機還能再細分成高旁通比與低旁通兩種，一般來說，高旁通比渦扇的旁通比都在5以上，在此值之下的稱為低旁通比渦扇發動機，以高旁通比發動機來說，推力主要由旁通氣流產生，核心氣流的目的僅是帶動整個發動機運作，但由於追求高旁通比，高旁通比渦扇發動機的迎風面積通常遠大於低旁通比發動機，阻力極大，惟油耗低而推力高，多用於講求次音速飛行的客機或運輸機等慢速機，講究高速飛行的戰鬥機則多用低旁通比渦扇發動機。

 

        值得注意的是，即便是低旁通比發動機，因考量阻力之故，戰鬥機所用的低旁通比渦扇發動機旁通比也遠遠低於民航機所用者，以第四代戰機廣泛使用的美製F100與俄製AL-31為例，兩者的旁通比約在0.36（F100-PW-229）到0.59（AL-31），甚少有以民航機用之低旁通比渦扇發動機改良為軍用發動機者，多是以同一核心段分別開發出民用與軍用型號，瑞典的JA37則是一個特例，起初選用勞斯萊斯的Medway渦扇發動機為動力來源，但因該發動機被取消，而不得不從現有的渦扇發動機選用一款進行開發，最後選上了P&W的JT8D加裝後燃器，成為RM8系列發動機，此系列發動機旁通比較F100等為高，故阻力也較大，為JA37的機動性帶來負面影響。

 

        總的來說，不論是追求高速的戰鬥機，抑或是追求效益的慢速民航機/運輸機，都希望油耗比能夠降低，故兩者先後捨棄渦噴改採渦扇，但對戰鬥機來說，渦扇的特性在空氣稀薄高空會導致推力有一定程度的衰減，只是1970~1990年代的空戰纏鬥多半以中低空域為主，而現代隨著視距外作戰的興起，高空性能慢慢的為各國軍方所重視，如何在低空性能與高空性能中取得平衡，便成了各國空軍考量的重要課題，可變循環發動機也應運而生，這種發動機可靈活的改變旁通比，以適應中低作戰與高空作戰的效能，早在1990年代就有通用電氣的YF120與YF136，但受限於種種因素，迄今依舊未能實用化，但在可預知的未來，該類發動機勢必將成為戰機發動機之主流。