民航客貨機飛行動力的演進|

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民航客貨機飛行動力的演進

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吳浴沂｜永達技術學院航空機械工程系

民航客貨機發動機的動力發展過程分為兩個時期。

以活塞為引擎動力

以活塞為動力的引擎稱為活塞式引擎，是由活塞在汽缸壁內來回運動而產生動力的引擎，因此又稱為往復式引擎。

活塞式發動機分為裝置於小型飛機的對立式活塞式發動機，以及裝置於中、大型飛機的輻射式活塞式發動機兩類。

對立式活塞式引擎的編號以右方的汽缸為單數，最後方的汽缸是第一缸；而左方的汽缸是雙數，依序從後向前數之。引擎的汽缸共有4個、6個和8個3種。
輻射式活塞式引擎最常使用的是單排汽缸和雙排汽缸兩種，以往曾經發展到四排汽缸，但因為不實用而遭淘汰。

單排的輻射式活塞式引擎的編號以最上方的汽缸為第1缸，依順時鐘方向分別是第2、第3……第9缸。有3個、5個、7個和9個汽缸的4種引擎，最早且最實用的是5個汽缸的引擎，但是最常使用的是7個和9個汽缸的引擎。

雙排的輻射式活塞式引擎的編號以後排為單數，前排是雙數，後排最上方的汽缸是第一缸，依順時鐘方向依序數之。最常使用的是14個汽缸（每排7個汽缸）和18個汽缸（每排9個汽缸）兩種引擎。

大部分飛機所裝置的活塞式發動機是屬於氣冷式的四衝程循環式的引擎，即引擎上所有的汽缸在曲軸旋轉兩轉（720°）時會完成4個衝程的循環。

四衝程循環即進氣、壓縮、動力和排氣4個作用。但在壓縮衝程的後期，在活塞達上死點之前若干度就點火燃燒燃油和空氣的混合氣，等活塞到達上死點時，混合氣已完全燃燒而產生最大的壓力把活塞往下推。因此在四衝程循環中發生了進氣、壓縮、點火、動力和排氣5件事，稱為four-stroke five - event cycle。

為了讓早期活塞式發動機的動力增加，以加快飛機的飛行速度和加高飛行高度，必須增加發動機的氣缸數，但負擔推動活塞在氣缸內來回動作的曲軸的設計和製造技術卻遭遇到困難。工程師也發現當飛機飛得太高時，氣缸會有氣鎖現象，而且螺旋槳的轉速每分鐘超過2,000轉時會使飛機發生失速的現象。很顯然地，欲使活塞式發動機動力增加的努力遇到了瓶頸。

在發現無法藉氣缸數的增加以增強發動機的動力時，航空工程師設計了一部內裝有離心式葉輪的增壓器，把它裝置在氣缸的上方，在它轉動時可以吸進更多的空氣，經加壓後注入氣缸內以增加動力。雖然改進的效果很好，仍然無法滿足人們要求飛機飛得更快且更高的欲望。

以渦輪為引擎動力

在人們強烈要求飛機能夠飛得更快且更高的同時，航空工程師改變了設計的構思：採用渦輪做為引擎動力的來源，由此進入了另一個輝煌的時期。

在渦輪式引擎剛發展時，是先以大型的離心式葉輪做為壓縮器，把空氣由轉動的壓縮器吸入，經葉輪的增壓送入燃燒室與燃油混合而點火燃燒，燃氣流從排氣管口排出而產生推力，這一型的壓縮器稱為離心式壓縮器。

離心式壓縮器包括增壓器的葉輪和擴散器兩部分，有下列3種型式：單向單級離心式壓縮器；雙向單級離心式壓縮器，可以增加雙倍的進氣量；單向雙級離心式壓縮器。

較常用的是單向單級離心式壓縮器和雙向單級離心式壓縮器兩型。單向雙級離心式壓縮器雖然具有兩具葉輪可以產生增壓作用，空氣流向卻須經過好幾個將近90°的轉彎，損失了很大的能量後才能送入燃燒室跟燃油混合而點火燃燒，因此總體分析的結果對於動力的增強並不理想。

由於離心式的壓縮器對於引擎動力的提升並不十分理想，因此又發展出一種軸流式的壓縮器。這種壓縮器是由轉子組和定子組所組成，空氣被轉動的轉子組吸入並增壓，流向是平行於引擎的轉動軸的方向，然後被輸送至燃燒室跟燃油混合而點火燃燒，因此稱為軸流式的壓縮器。

最初發展出來的渦輪噴射引擎是單軸式的，基本型式包括壓縮器、燃燒室、渦輪和噴射噴口4大部分。因為渦輪噴射引擎的壓縮比和壓縮器內轉子組的級數成正比，引擎所產生的推力又和壓縮器的壓縮比成正比，因此為了增加引擎的推力，勢必要大量增加壓縮器內轉子組的級數。

引擎的啟動是由起動機帶動壓縮器先行轉動的，當壓縮器內轉子組的級數大量增加時，壓縮器就會變得特別重，起動機的起動扭力負荷也就跟著加大。為了減輕起動機的起動扭力負荷，進而設計了雙軸流式的壓縮器，把壓縮器分成兩個部分，前面較重的是低壓（低速）壓縮器，而後面較輕的是高壓（高速）壓縮器，分別由兩不同轉速的渦輪軸來帶動。以起動機來啟動後面較輕的高壓（高速）壓縮器，其扭力負荷自然可以減輕。

在世界燃油價格節節上升之際，航空公司強烈感受到兩種壓力，即必須尋求降低燃油消耗量和增加燃油使用效率的方法。因此航空工程師又設計了一具直徑比壓縮器內轉子組的直徑大的風扇，加裝在前面的低壓（低速）壓縮器前方，與低壓（低速）壓縮器有一樣的轉速。當引擎轉動時，風扇外端區吸入的空氣不經過引擎內部，而僅經過加壓就可逕行排出以產生額外的推力，這稱為風扇型渦輪引擎。

風扇型的渦輪引擎由風扇外端吸入的空氣不經過引擎內部混合燃油點火燃燒，也不供作引擎內部冷卻之用，可以減少排氣噴口的排氣流速度，以減低噪音的程度和減少環境的汙染，因此非常符合航空公司的需求且可以減低營運成本，目前已被世界各種新式巨型飛機廣泛裝用。因其除了上述優點外，更兼備有渦輪噴射發動機的高空高速的能力，和渦輪螺旋槳發動機的良好操縱效率及大推力。

目前最大的風扇型渦輪引擎的推力已達84,600磅，風扇的直徑是112英寸，大風扇的直徑和壓縮器內轉子組的直徑的旁通比是6.4：1。將來風扇型渦輪引擎的推力可發展到10萬磅，風扇的直徑會是140英寸，其旁通比將達8.0：1，引擎的燃油消耗量會更節省。

在發展渦輪式引擎的初期，也把活塞式發動機所慣用的螺旋槳移置在渦輪式引擎的前方，由低速壓縮器的轉軸經兩道減速齒輪組的減速後的傳動軸帶動旋轉，因此稱它為渦輪螺旋槳式的引擎。

渦輪螺旋槳式發動機的優點有下列3點：螺旋槳可以在飛機起飛時，使大量的空氣很快地加速而縮短起飛的時間和跑道的距離；這型式的引擎可以在飛機降落時，在機輪著地的瞬間以螺旋槳反槳矩產生的反向推力當煞車用；渦輪螺旋槳式的引擎在低空和低速飛行時效率最好，而且在低空飛行時燃油的消耗量最經濟。

但渦輪螺旋槳式發動機也有兩大限制：在正常巡航速度的範圍內，其推進效率大致沒有變動，無法如渦輪噴射式發動機和渦輪風扇式發動機般隨著空速的增加，而使推進效率迅速增加；螺旋槳在空中有其限制，幾萬轉的引擎轉數必須經過兩道減速齒輪組的大量減速之後，才能傳到螺旋槳的每分鐘2,000轉的臨界轉速之下，否則飛機會有失速的危險。

以渦輪為引擎動力的發動機有下列4類：渦輪噴射式發動機 ─ 大部分裝置在軍用飛機上；渦輪風扇式發動機 ─ 廣泛裝置在各種新式巨型民航飛機上；渦輪螺旋槳式發動機 ─ 大部分裝置在中、小型的民航飛機上；渦輪軸式發動機 ─ 裝置在直昇機上。

資料來源

《科學發展》2014年7月，499期，54 ~ 59頁

引擎(7) 渦輪引擎(2) 科發月刊(5221)

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