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三、航空發動機

三、航空發動機. 飛行體如飛機或火箭之飛行，除了翼所獲得之空氣動力外，最重要的還是推進系統。事實上，有些飛行體如彈道飛彈，雖無機翼，但靠著噴射的反作用力仍然能夠飛行。反之，若無推進系統，飛行體只能滑翔，即使滑翔也必須先有初始高度及速度，沒有推進系統，又何能使飛行體獲得預設的高度及速度？. 3.1 推進系統. 飛行體所用的推進系統，如圖示，有活塞螺旋槳 piston prop) 、渦輪螺旋槳 turbo prop) 、渦輪風扇 turbo fan) 、渦輪噴射 (turbo jet) 、

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三、航空發動機

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Presentation Transcript

  1. 三、航空發動機 飛行體如飛機或火箭之飛行，除了翼所獲得之空氣動力外，最重要的還是推進系統。事實上，有些飛行體如彈道飛彈，雖無機翼，但靠著噴射的反作用力仍然能夠飛行。反之，若無推進系統，飛行體只能滑翔，即使滑翔也必須先有初始高度及速度，沒有推進系統，又何能使飛行體獲得預設的高度及速度？

  2. 3.1 推進系統 飛行體所用的推進系統，如圖示，有活塞螺旋槳 piston prop)、渦輪螺旋槳 turbo prop)、渦輪風扇 turbo fan)、渦輪噴射(turbo jet)、 渦輪噴射加後燃器(turbo jet plus reheat)、衝壓噴射(ramjet)、火箭(rocket)等，各自適用於不同的高度與速度。假如推進系統的重量相同，活塞螺旋槳的推力最小，但效率最高。火箭則推力最高，但效率最低。其他推進系統則依序介於其間。 三、航空發動機

  3. 3.2 活塞螺旋槳(Piston Prop) 活塞螺旋槳應用往復式活塞引擎驅動螺旋槳。活塞引擎就如汽車所使用者，唯飛機引擎之汽缸數較汽車引擎之汽缸數多，且可能以星形排列。當螺旋槳之葉片與空氣相對速度接近音速時，會有震波產生，形成極大之震波阻力，使得扭矩急速增加，故螺旋槳的轉速與前進速度都有一定的限制。活塞螺旋槳飛機的最高飛行高度約為$22,000$呎，最大飛行速度約為$300$節(浬/時)。 三、航空發動機

  4. 3.3 渦輪螺旋槳(Turbo Prop) 與活塞螺旋槳不同的是，渦輪螺旋槳係以渦輪引擎取代活塞引擎而推動螺旋槳，渦輪引擎主要包含壓縮機(compressor)、燃燒室(burner)、渦輪(turbine)與噴嘴(nozzle)。 空氣經壓縮機壓縮後進入燃燒室，噴入燃油使與空氣混合燃燒，產生高溫高壓之混合氣體，向後膨脹轉動渦輪機，並經噴嘴噴出以產稱反作用力。渦輪轉動的目的在於帶動壓縮機與螺旋槳，因螺旋槳轉速較壓縮機慢，故須應用一組減速齒輪。在渦輪螺旋槳的系統中，螺旋槳的推力約佔總推力的95%，渦輪噴射的推力僅佔總推力的5%。因渦輪機構為純轉動，而無活塞與連桿之往復運動，在機械上轉速可以較快。 渦輪螺旋槳飛機的最高飛行高度約為38,000呎，最大飛行速度約為500節(浬/時)，仍然為次音速。 三、航空發動機

  5. 3.4 渦輪風扇(Turbo Fan) 渦輪風扇係將渦輪螺旋槳之螺旋槳改為風扇(fan)，風扇比螺旋槳多了一個罩子(cowl)，可以將相對於風扇葉片的空氣速度降低。 螺旋槳直接暴露於氣流，當氣流相對於螺旋槳速度接近音速時， 會產生震波，使螺旋槳推力急速降低，而扭矩則急速增加風扇罩子則可將風扇葉片與外界流場阻隔，空氣進入罩子的部份，相對於葉片的速度降低許多。因此，當飛行體速度接近音速，甚或超過音速時，空氣相對於風扇葉片的速度仍然能維持在音速的0.4倍，風扇葉片因而仍然能夠有效的運轉。 風扇葉片多而小，螺旋槳葉片少而大。空氣流過風扇的質量與流進壓縮機經燃燒室、渦輪機、噴嘴而出的質量比稱為旁流比(by pass ratio)，渦輪風扇的旁流比約為5或6。渦輪風扇(飛機的最高飛行高度約為$68,000$呎，最大飛行速度約為900節(浬/時)，已達超音速。 三、航空發動機

  6. 3.5 渦輪噴射(Turbo Jet) 渦輪噴射包含進氣道(inlet)、壓縮機(compressor)、擴散器(diffuser)、燃燒室(combustion chamber or burner)、渦輪(turbine)、噴嘴(nozzle)。與渦輪螺旋槳及渦輪風扇不同的是，渦輪噴射並無旁流，所有推力均是噴射所產生之反作用力。渦輪之最主要的作用在於轉動壓縮機。 渦輪噴射各階段之壓力、溫度、相對速度及推力如右圖示，空氣經進氣道，壓力提高，相對速度減緩，溫度增加；經壓縮機時，壓力提高許多，溫度亦增加，相對速度則增加；到了燃燒室，噴進燃料與空氣混合燃燒，壓力大致保持一定數，但溫度與體積則急速增加，因而向後膨脹轉動渦輪，並由噴嘴噴出。空氣流經渦輪及噴嘴，壓力逐漸減小，溫度亦降低，相對速度則增加許多。 三、航空發動機

  7. 3.6 渦輪噴射加後燃器(Turbo Jet Plus Reheater) 渦輪噴射由噴嘴所噴出的氣體溫度仍然很高，若加以一後燃器，如圖 經再噴入的燃料後，氣體可再次燃燒產生高溫而膨脹，產生更大的推力。後燃器雖可產生很大的推力，但燃料消耗量很大，一般僅在緊急任務的短時間內啟用。 三、航空發動機

  8. 3.7 衝壓噴射(Ramjet) 當飛行體速度高達音速2.5倍以上，空氣流入擴散器後壓力即大增， 因此並無需壓縮機，更無需渦輪，減少機械轉動部份，機構簡單許多， 重量亦減少許多。衝壓噴射如圖示，空氣流入擴散器後，相對速度因減緩而壓力與溫度大增，在燃燒室經噴燃油後因高溫而自動點火，混合氣燃燒後產生更高的溫度與很大的體積，向後膨脹經噴嘴而噴出。 衝壓引擎的缺點是無法在低速的情況下啟動，因此，必須先以火箭加速至高速再啟動。新近研究的固體導管火箭(solid ducted rocket, SDR)係將 衝壓引擎燃燒室先以固態火箭燃料填滿，啟動時，火箭燃料迅速燒光，產生很大的推力，將飛行體加速至音速2.5倍以上，此時，啟動衝壓引擎，而火箭燃料燒完後空出的空間正可作燃燒室之用。 三、航空發動機

  9. 3.8 火箭(Rocket) 火箭與前述引擎不同的是，自備燃燒所需的氧。火箭燃料本身就是高含氧，因此，無須空氣流入。火箭燃料經燃燒後產生高溫高壓氣體，向後膨脹，經噴最噴出。火箭因不需空氣助燃，故可在太空中使用。 三、航空發動機

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