這是一本我很喜歡的軍事雜誌"兵器戰術圖解"
在他的第46期裏
蕭明禮博士候選人寫的一篇
"搶救台灣大學F-100A戰機"
圖片說明裏有一段
"氣流進入低壓渦輪時最好是次音速
如此較不易出現渦輪葉片失速現象"
是這樣嗎?
有一年的台北航空工業展.
一位約莫國中年紀的小朋友在一具噴射引擎前,
問參展的工程人員,
"噴射引擎後面噴出的是火嗎?"
我一旁偷笑著想:
"我小時候也這樣以為啊...."
誰叫那時的卡通都這樣畫
噴射引擎的運作原理各位想必有些概念.
把空氣吸進來,
壓縮
噴油
點火.
熱氣往後噴出
(英文裏開玩笑的叫:Suck,Squeeze,Bang,Blow)
引擎就利用噴出氣流之反作用力而產生前進的動力
本來氣球裏充滿壓力
當放開氣嘴時......
原理就是這麼簡單
構造上
噴射引擎分成四大部分
由前往後分別是
壓縮機-----燃燒室-------渦輪機
---齒輪附件箱
我們今天主要來看看壓縮機(Compressor)這一段
(我們用航空界最普遍使用的軸流式壓縮機為例)
把機殼拆開後.可以看到
一輪一輪的葉片連在一隻轉軸上
這些會轉動的葉片叫轉子(Rotor)
機殼上也有一圈圈的葉片.
這些固定的葉片叫做靜子(也有人叫定子,Stator)
基本上,
就是一圈轉子後面接一圈靜子
(這樣叫做"一級",one stage)
一層一層的往下走.
氣體的壓力就會越來越高
體積也就越小.所以葉片跟著變短
在此同時,溫度也會大幅增加
為什麼這樣胡亂轉一轉,壓力就會增高呢?
轉子就像電風扇一樣.把風吹向後去
吹進定子葉片之間的通道
我們從上圖中箭頭的方向往下看
會看到下圖的二維流道
這些通道設計成入口較窄(截面A),
出口較寬(截面B)的樣子
所以出口處的流速就變慢了,
白努利定律告訴我們.
當流速變小時,壓力就會上升
所以出口處的壓力就會比入口高一些
像一個擴散管一樣
接著進入下一級
氣體又被轉子加壓
然後又被靜子擴散的管路提升了壓力
壓力再一次上升......
這樣周而復始的,使得壓縮機出口的壓力變得很大
發動機的設計上,常將壓縮機分為兩組(甚至分到三組)
用同軸套筒的方式區分為低壓軸(N1)和高壓軸(N2)
我們叫雙軸的設計(twin spool)
因為同一隻軸上的所有葉片轉速都相同
把高低壓段用不同的軸來轉
才可以讓不同壓力的葉片在更適合自己的轉速下運轉
高低壓段的轉速和效率才得以兼顧,
不會被另一方拖累
但付出的代價就是機械結構變得更為複雜
有一年的台北航太展,
法國SNECMA的工程師就回答我,
他們最自豪的就是M53發動機(幻象兩千用的)
只以單軸就能做到和別人雙軸設計一樣的效能
法國佬的自傲我們都有耳聞,
此話聽聽也就罷了.
不過另外一點,他倒是沒吹牛
這樣的設計簡單,輕巧.
也許對戰鬥機來說.維修和後勤是有好處的
再深入一點看看
氣流離開轉子葉片時的軸向速度向量(圖中的紅1),
同時也被轉子轉動(紅2)
所以離開轉子速度就變成紅色3號的這個和向量
而這個向量最好可以符合靜子葉片設計的入流角度
如此,氣流才能在靜子之間順暢的增壓並離開到下一級
所以軸向速度和轉子轉速的搭配非常重要
因為任何一個速度改變,向量就不同
進到靜子的角度就不同
氣流的效率就會受到影響
但是飛機不可能一直維持在同樣的飛行速度
發動機也不可能老是同樣的功率在轉動
所以這個和向量本身就一直在改變
那要如何維持適當的靜子葉片入流角呢?
答案就是
“當靜子不再是靜子”
國小時看的"新武器大觀"
(黑幼龍和沈春華主持的,每星期五晚上我一定要跟媽媽哀求晚一點睡才能看)
裏面提過J79引擎(F-104和F4 幽靈式戰機用的引擎)
就首次引入了"可變靜子葉片的設計"
讓靜子葉片的角度也能夠隨著氣流狀況而調整
(當然都是電腦去煩惱啦)
使引擎的效率在不同速度運轉時能更提升
後來這設計也廣泛的運用在商用引擎上了
我們A330用的CF6引擎上自然也有
叫VSV,variable stator vane"可變靜子葉片"
前面我們提過轉子和靜子葉片間的通道基本上是一個擴散的管道
要維持擴散管道裏的氣流穩定是比較因難的.
因為越往後流動,壓力就越大,
如果擴散的角度太大,
壓力增加太快,
就容易發生氣流分離的現象
跟機翼上的氣流分離一樣的原理,
因此也叫做失速(stall)
所以一級壓縮機能把壓力提升1.2倍就算是相當不錯了
如果這個失速發生在引擎裏,
氣流就會變得很亂,
流場難以控制.
後續的進氣加壓和燃燒就不順.結果就是造成引擎的surge
"碰...碰.....碰....."
很嚇人的放砲聲就出來了
BUT
引擎後段的渦輪機(Turbine)
作用和壓縮機正好相反.
是把氣流的動能轉換成轉動機械能的
氣流向後加速.
壓力是遞減的(更容易往後流走)
所以即使氣流不順,基本上也不會"逆流"
自然就沒有氣流分離造成失速的問題了
所以.
一般狀況下,只有壓縮機才會失速
而不是如文首所見的”渦輪機失速”了
當然.雜誌內文的圖說不見得是蕭同學所寫的
即使是,也無傷大雅,因為他是學歷史的,
這種理工科的東西,還是交給工程師去傷腦筋就好了
不過,後來…….
他老兄拿中指勇擋救護車
一變而為全台知名的中指蕭
可就………
真的不對了呀
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