(偉大的GE90-115B)
(圖片來源:www.airliners.net)
依照目前飛機所使用引擎的種類,大致上可以
分為以下兩種:
第一種是跟車子引擎原理相似的活塞引擎.
Piston Engine
第二種是燃氣渦輪引擎. Gas Turbine engine.
以民航機來說,現在的裝載航空器動不動就達到上百人.
空中巴士的巨無霸A380就更不用說了,滿載可以達到
六百多人.用最簡單的計算,平均一個人重量70公斤.
六百人就一共 42,000公斤,還不包括每位乘客的行李重量喔,
加上飛機的外殻,油料,配線,設備...林林總總全部加起
來,一架A380的飛機總重量就至少 55 萬公斤!!
如此重量的航空器,已經不是活塞引擎可以負荷的了.
為了讓飛機可以在高空的地方飛行(高空空氣密度小,所以
風阻相對少很多,省油),並且更快速,飛更遠的距離,將上百
名乘客載到目的地,燃氣渦輪引擎就是答案了.
感謝燃氣渦輪引擎的發明,讓人類民航史
跨入新的里程碑.
燃氣渦輪引擎比傳統活塞引擎最大的差別在於,活塞引擎
不管有沒有渦輪增壓,都還是要經歷過四大過程,
1.進氣 2.增壓 3.燃爆 4.排氣.
如此四項過程不斷的循環,才能提供螺旋槳的動力.
但是以產生出來的推力來說,仍是有限.
因為始終都還是要經過四項循環...不停循環...
動力無法綿綿不絕.
尤其活塞引擎必須放棄高空飛行所帶來的好處.
無法提供客艙內增壓的功能.結論就是,未經過增壓的客艙,
只能在1萬英呎以內的空中飛行而已.
我們所居住的地球,空氣中的比例,氮氣就佔了78%,氧氣只佔
了21%. 就算平地跟三萬英呎的高空,氧氣比例依然是21%.
聽起來跟平地一樣啊,但是差別就在於高空的空氣密度低.
低密度的21%,氧氣量肯定是不夠的.
另外高空的低壓力也是很大的因素.空氣壓力不夠,就算吸進
到肺的氧氣,還是無法溶解於紅血球裡,提供身體細胞所需要
的氧氣.
p.s.人體最大的極限,不影響思考,行為能力的海拔高度為1萬
英呎以內.
所以呢,燃氣渦輪引擎到底有多麼神奇呢??
首先,燃氣渦輪引擎又分成幾種 gas turbine engine:
1.turboprop 渦輪螺旋槳燃氣引擎(例如區間螺旋槳客機)
渦輪螺旋槳燃氣引擎其實也有其優點.例如這類的引擎在
25000英呎以內的空中,
其引擎推力效能(propulsive Efficiency %)在空速抵達
400kts時,反應是最傑出的(80%).
另外在低飛行空層以及低空速的情況之下,渦輪螺旋槳燃氣引擎
的推力淨值(net thrust),也比其他的引擎來的高.
而且耗油量低,噪音小.對於短距離飛行是最經濟的.
如果以飛行時間約1~2小時的航程來說,噴射客機不見得比
螺旋槳(增壓)飛機吃香喔!首先短時間的飛行,飛行空層不
可能太高,(否則從頭到尾都在爬升耗油而已,才剛爬到,
又要準備降落了)
另外飛行空層不夠高,速度又會有限制.
(例如一萬英呎以內的飛行高度,必須遵守航管空速限制250kts).
噴射客機所使用的燃氣引擎,反而要在高飛行空層,搭配
高空速,才能展現其性能的優勢.(RAM air effect)
低空,慢速的情形下,反而耗油,不如螺旋槳引擎來的敏銳.
註:Ram air effect (空氣撞擊效應)
這是一種物理現象.空氣跟水一樣有流動性.不過不一樣的地方是,
空氣多了一項"可壓縮性".引擎進氣口的空氣和前方,準備進入壓縮機
而慢下來的空氣相撞,反而自己先增壓了.結果就是提高引擎的效能.
但前提是,速度要夠快!但是低於音速.
不過螺旋槳燃氣引擎沒有空氣撞擊效應的好處.
2.purejet 純噴射燃氣引擎.(例如戰鬥機所使用)
3.turbofans engine 扇渦輪引擎.
(大部分噴射客機所使用的)
其中扇渦輪又分成
1. low by-pass ratio turbofan 低旁比扇渦輪
(例如波音727客機引擎)
2. high by-pass ratio turbofan engine.
高旁比扇渦輪
(例如波音767,747,777,
空中巴士A320, A330, A340, A380)
今天就大概稍微介紹一下民航機最主流的高旁比扇渦輪引擎.
講到高旁比...就不得不拿目前金式世界紀錄保持者:
奇異公司(General Electric) 研發的
GE90-115B型扇渦輪引擎!!
GE90,是什麼原因讓它像是神般的讓我崇拜著呢?
因為單具GE90的引擎所產生出來的推力,可高達12萬磅!!是
目前所有民航機使用引擎裡面,馬力最強的!
以最普遍的波音747-400客機來比較,四具引擎平均每具約
6萬磅推力.也就是說,單具GE90 就可以挑戰747-400每邊兩
具引擎了!!
而且GE90扇渦輪引擎結合了時下最新的材料,機械科技,
不只馬力強大,耐力也堅如磐石.
(reduce Foreign Object Damage 降低外來物損壞率,
例如鳥擊)
最難能可貴的,它還省油!
比起其他的引擎,GE90增加了22%的燃油效能.
(low thrust specific fuel consumption
高推力低燃油使用)
目前配備GE90款的民航機只有波音777-300型的客機.
而且線上已經配載GE90引擎的民航機,減碳排放量,一年的時間
替地球省下約4千萬加崙的飛機燃油呢!!
最誇張的是,一具GE90引擎的直徑,差不多等於一架波音
737客艙的寬度... 夠恐怖了!!
(真的很難想像,一具引擎的直徑可以跟737客艙的寬度一
樣...)
高旁比扇渦輪引擎到底是什麼意思呢??
首先,扇 fan
就是代表引擎進氣口的部分,有一具由很多葉片組合起來
的葉扇.所有空氣都由這裡進入.
再來渦輪引擎呢,
渦輪引擎是由三大部分構成的.
1.compressor 不同階段的輪葉壓縮機
low pressure compressor 低壓N1,
inter pressure compressor 中壓N2,
high pressure compressor 高壓N3,
通過葉扇的空氣進入壓縮機,經過N1~N3不同階段的
增壓步驟,每階段增壓約26%
此時已經準備好要進入燃燒室,
另外這裡的增壓空氣,也提供客艙的空調,加壓系統,
以及飛行所需要的空氣壓縮系統.
GE90的壓縮比為 42:1
壓縮比越高,對燃氣引擎效能越好
2.combustion chamber 燃燒室
被壓縮的空氣傳送來這裡,與燃油按比例混合,
經過火星塞點燃,燃燒,透過化學變化讓燃油
轉換成機械動能.
最理想的氣油混合比是,15:1
15 空氣,1 飛機燃油
燃燒後空氣壓力不變,但是流動速度加快.
準備被導入第三步驟的渦輪
3.turbine 不同階段的渦輪.
high pressure turbine 高壓N3
inter pressure turbine 中壓N2
low pressure turbine 低壓N1
燃燒爆炸的氣體用驚人的速度導入渦輪,致其高速轉動,
每階段渦輪,都由輪軸來連結前方各個階段的壓縮機.
渦輪旋轉的越快,帶動輪軸使前方的壓縮機也跟著加快,
吸入更多的空氣,如此一來,便會達到源源不息,
毫不間斷的動力能源供應.
例如
N3 turbine連結 N3 compressor (高壓對高壓)
N2 turbine連結 N2 compressor (中壓對中壓)
N1 turbine連結 N1 compressor以及葉扇
最後離開N1 turbine的廢氣,便成為引擎推力的一部分.
至於什麼叫做高旁比呢?? high-bypass ratio.
經過葉扇進入引擎的空氣,以GE90引擎來說,約10%
會進入上述的引擎系統.剩下的90% 會通過引擎外殼
與內引擎之間的空間,這部分屬於冷流 cold stream.
一部份運用來冷卻過熱的機具,有些擷取來混合增壓
後的氣體(增壓後的氣體溫度較高)來作為客艙空調
的使用.剩下的就是引擎的推力了.
另外這些冷流還有兩樣功能,首先就是飛機降落後,
用來幫助減速的冷流反推力.
(cold stream type reverse thrust)
冷流反推力是高旁比扇渦輪引擎使用的減速模式.
尤其以飛機主輪著陸後,一直到地速降到約60~70KTS
之間的效果最好.可使用的反推力,佔約引擎總推力約50~60%.
反推力並不是將引擎的葉扇反方向旋轉.而是利用空氣動力系統
(pneumatic system)啟動擋門(blocker Door),將外環的冷
流,透過導引風幡(translating sleeve)作45度角反方向引導.
引擎內部熱流的部分則不影響.
反推力在飛機降落減速方面貢獻很大.(空中時無法啟動,唯有主輪
承受到飛機重量後,引擎油門怠速時才能啟動).如果一開始就使用
煞車片,可想而知煞車片溫度肯定會摩擦力過大而溫度過高,最後
反而煞不住.不過當滑行速度降到低於60kts還繼續使用反推力
的話,第一,空氣流動速度慢,反推力效果反而不明顯.
第二,速度過慢仍使用反推力裝置,很容易造成引擎的損害.
例如引擎溫度容易過高(壓縮機失速stall, surging),
還有就是FOD (foreign object damage外來物損害)
反推力使用時,45度角反方向將氣流推出去容易揚起前方地面
的砂石,外來物,吸入葉扇裡造成機具的損害.
因此通常當速度降到70kts左右,便會關起反推力裝置.
當然不同飛機,不同引擎,有不一樣的建議.
反推力減速在乾跑道上貢獻總減速效能約20%.但是
在濕滑,或是下雪結冰跑道貢獻可達到50%呢!!
(GE90, cold stream type reverse thrust
with translating sleeve open)
(A340-313, 4具 CFM56-5C 引擎.每具推力3萬4千磅,
反推力減速)
再來就是降低引擎噪音的問題.
高旁比輪扇引擎,製造最大噪音的就是最前方的葉扇,
以及最後階段的渦輪.
怎麼說呢? 空氣經過壓縮,燃燒爆炸,產生速度加快的
結果,得到就是我們要的推力,這點沒錯.
不過從引擎後方排出的氣體速度,與四周空氣的速度
如果相差太大(too much shear),音頻越低(low frequency)
就會產生噪音.
因此呢,熱區排出的高速熱流氣體,先經過引擎外環通過的
次高速冷流氣體混合,等到排出引擎後方時,速度會減慢
許多,(less shear)提高音頻(high frequency),噪音也會
降低不少.
低音頻 ---噪音
高音頻 ---少噪音
高旁比,低旁比??
(藍色冷流與紅色熱流空氣比)
通過引擎熱區外圍的冷流推力,
和熱區燃燒後產生的熱流推力,比較稱為旁比
通常高旁比扇渦輪引擎,熱區跟冷區比例約1:6.8.
熱流=1, 冷流 6.8.
今天就先聊到這裡了.
後註:
感謝老媽寄來的眼鏡...
這次會多加小心...不會又不小心弄壞了.
老媽您也把眼鏡配的太斯文了啦~~
還可以掛上太陽鏡片咧~~ 真的很謝謝您!
不過您似乎忘了...您兒子我的頭...蠻大的耶...
最後,謝謝阿東的照片!!太想念他了!!
他很乖,您們把他包成這樣,他都不敢亂動耶~~
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