航空發動機除了提供推力還有甚麼功能?

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大家都知道,飛機的動力來自於航空發動機,民航機常用的渦扇發動機(Turbofan)除了提供飛機所需要的推力外,還提供了飛機很多操作上的需要。

渦扇發動機的操作是使用壓縮機將空氣吸入發動機內,在燃燒室內與空氣燃料燃燒後,經由壓縮機連結的渦輪機排出高速的氣體,藉由牛頓第三定律作用與反作用的原理產生推力,這當中所產生的有高壓高溫的氣流與渦輪機轉動的動力可以分出去做其他的用途。

氣流

發動機內的氣流分為主氣流(Primary airflow)、二次或旁通氣流(Secondary or bypass airflow)與寄生氣流(Parasitic airflow):

主氣流是經過核心引擎的氣流,會經過燃燒室產生熱能、轉動能及部分的推力;

旁通氣流則僅通過發動機最前面的風扇葉片,經過後方的氣流通道加速產生大部分飛機所需的推力,旁通比(bypass ratio)越高,能提供的推力相較於主氣流也就越高,GE CF6-80C2的發動機旁通氣流所產生的推力約為全部推力的80%;

寄生氣流是由上述氣流中導引出去做其他用途的氣流總稱,其功能有:
飛機:
1. 座艙加熱系統冷卻空氣
2. 加熱進氣吊艙以防結冰
3. 加熱機翼以防結冰
4. 座艙空調
5. 座艙加壓
6. 除雨
7. 作動反推力裝置
發動機自身:
1. 零件冷卻或加熱
2. 軸承油封加壓防漏
3. 葉片與機匣間隙控制
4. 推力平衡緩衝

寄生氣流主要來自於壓縮段的氣流,具有高壓及適當的溫度可以用於上述的需求,發動機內的寄生氣流在完成其作用後,多數的氣流都會回到主氣流中,仍然有助於推力,並不會浪費。
用於冷卻的氣流原則上是壓縮前段氣流冷卻渦輪後段(低壓渦輪),壓縮後段氣流冷卻渦輪前段(高壓渦輪),維持適當的溫度差,溫度差大雖然能提高冷卻效率,但過大的溫差會使機件材料因過大的熱應力而縮短使用壽命。
經過燃燒室的氣流除了溫度過高不適合用外,氣流中含有燃燒後所產生的成份,也容易對零件造成腐蝕,以低壓渦輪機出口氣流短暫進入發動機最尾端的渦輪框架的空心支架內,以維持支架整體的溫度均勻來降低熱應力,是CF6發動機內唯一的例外。

動力輸出

經由發動機的附件齒輪箱上的設備將轉動能量轉換:
1. 座艙照明電力
2. 通訊導航設備電力
3. 空廚電力
4. 燃油加壓泵電力
5. 電子機械泵電力
6. 電子液壓泵電力
7. 起落架伸展液壓
8. 鼻輪轉向液壓
9. 剎車液壓

除了飛機上至少兩具發動機可以互為備用外,一般飛機本身都還有一個相關動力設備備用,即便全部發動機失效,飛機還能維持起降及乘員的最低需求。為了節省製造與維護成本,現今的飛機幾乎都只有兩具發動機,但兩具發動機同時失效的事故還是偶有所聞,雖然都沒因此釀成重大事故,個人覺得其安全係數還是遠比不上三具或四具發動機的機型。


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Aviation燃氣渦輪引擎
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