燃氣渦輪發動機

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GasTurbine.svg

燃氣渦輪發動機Gas turbine engineCombustion turbine engine)或稱燃氣輪機,是屬於熱機的一種發動機。燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼,基本原理大同小異,包括渦輪噴射發動機等等都包含在內。而一般所指的燃氣渦輪發動機,通常是指用於船舶(以軍用作戰艦艇為主)、車輛(通常是體積龐大可以容納得下燃氣渦輪機的車種,例如坦克工程車輛等)、發電機組等的。與推進用的渦輪發動機不同之處,在於其渦輪機除了要帶動傳動軸,傳動軸再連上車輛的傳動系統、船舶的螺旋槳或發電機等外,還會另外帶動壓縮機。

基本原理[編輯]

Lycoming T-53燃氣渦輪機
燃氣渦輪噴射發動機的圖示。

燃氣渦輪機主要由壓縮器(compressor)、燃燒室(combustion chamber)及渦輪(turbine)等部份構成。新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機後,首先由壓縮器加壓成高壓氣體,接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合後在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓氣體,然後進入渦輪段推動渦輪,將熱能轉換成機械能輸出,最後的廢氣排氣管排出。而由渦輪輸出的機械能中,一部份會用來驅動壓縮器,另一部份則經由傳動軸輸出,用以驅動我們希望驅動的機構如發電機、傳動系統等。

壓縮器[編輯]

壓縮器的功用是對氣流做功,以提高氣流的壓力。一般燃氣輪機的壓縮器通常有軸流式輻流式兩種。

軸流式壓縮器會有許多的葉片,形狀類似螺旋槳葉片,但是分為「靜子」(stator,或稱「定子」)與「轉子」(rotor)兩種。轉子就像螺旋槳一般地旋轉,在旋轉的過程中將氣流向後推,這時氣流的壓力就會提高,溫度也會昇高。靜子的功用是將因為轉子的作用而產生旋轉的氣流導引回軸向,以正確的角度進入下一組轉子。通常是一組轉子和一組靜子交互配置,而一組轉子和靜子就稱為一級。

輻流式壓縮器則是利用葉輪旋轉時產生的離心力將氣流向外推,而產生加壓的效果。一級的輻流式壓縮器就能有數級軸流式壓縮器的壓縮比,對於較小型的燃氣輪機來就是不錯的選擇,但是由於氣流是向外輻射,必須以大幅彎曲的通道折回內部,故能量的耗損也較大。

壓縮比是壓縮器的主要性能指標,指的是氣流壓力在加壓後與加壓前的比,通常壓縮比較高的燃氣輪機,效率也較高,但是氣流在壓縮過程中溫度會上昇,考慮到渦輪所能承受的溫度有一定的限度,壓縮比太高反而不好。理想的壓縮過程應該是等過程,但是實際上壓縮後的氣流的溫度和熵都會大於理想值,壓力則低於理想值,而壓縮機的效率則定義為:

\eta_c = {h_{2i} - h_1 \over h_{2a} -h_1}

其中\eta_c代表壓縮器效率,h_1代表氣流進入壓縮器之前的h_{2i}代表理想狀況下氣流離開壓縮器時的焓,h_{2a}代表實際狀況下氣流離開壓縮器時的焓。依據熱力學定律,壓縮器效率不可能大於1。

燃燒室[編輯]

自壓氣機中壓縮的空氣,在此與燃料混合,並在近乎等壓的情況下燃燒,藉此釋放燃料的化學能,轉化為燃氣的熱能,以便推動後段的渦輪做功。燃燒室通常包含擴壓段、噴嘴、點火器、火焰筒和外殼等組成,當然還包括必要的支撐件及儀錶。基於燃料、任務和技術發展方向的不同,燃燒室的類型包括圓筒型、分罐型、環罐型和環型等。

渦輪[編輯]

電腦模擬
通用公司J85燃氣渦輪

燃氣輪機通常使用軸流式渦輪,構造上與軸流式壓縮器相似,同樣是一組定子與一組轉子合稱為一級。渦輪葉片與螺旋槳及飛機機翼相似,氣流流過時產生作用力,對轉子葉片作功而使其轉動,而能將氣流的能量轉換成機械能輸出,因此氣流在通過渦輪後,溫度與壓力都會下降。

與壓縮器不同的是,渦輪的目的是將氣流的能量轉換為機械能,因此葉片的形狀與壓縮器會稍有不同,重視的是氣流通過時能產生的作用力,與飛機機翼希望升力大而阻力小的要求類似。渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的衝擊,為了提高燃燒溫度以提昇燃氣輪機的效率,渦輪葉片必須使用耐高溫、在高溫下仍保有高強度及壽命的耐熱材料製成。葉片結構上也常使用一些特殊設計,例如常見的作法是將葉片設計為中空,然後將冷空氣或冷卻液導入內部,在葉片內部流動時可以產生冷卻效果,還有在表面設計許多小孔噴出冷空氣,隨著空氣流動而覆蓋整個葉片,阻隔以避免高溫空氣直接衝擊葉片,以達到保護的效果。

與壓縮器相同,理想的渦輪應該是等熵過程,但是實際上通過渦輪後氣流的溫度和熵都會大於理想值,渦輪的效率定義為:

\eta_t = {h_3 - h_{4a} \over h_3 -h_{4i}}

其中\eta_t代表渦輪效率,h_3代表氣流進入渦輪之前的焓,h_{4i}代表理想狀況下氣流離開渦輪時的焓,h_{4a}代表實際狀況下氣流離開渦輪時的焓。依據熱力學定律,渦輪效率不可能大於1。

應用[編輯]

噴射發動機[編輯]

現在的中大型飛機幾乎都使用渦輪發動機做為動力來源,因其體積較小而輸出動力大,更重要的是沒有螺旋槳在高速時所會遭遇到的音障問題,因此也是一般超音速飛機的唯一選擇(只有少數機型會使用衝壓噴射發動機或火箭)。由於是使用於直接推進,以噴出高溫廢氣的反作用力產生推進力,因此在設計上會儘量縮小渦輪段的能量轉換及損耗,只輸出驅動壓縮機及發電機等附件所需的功。

輔助動力單元[編輯]

大型飛機上除了主發動機外,通常還會裝設一具小型的燃氣輪機,即稱為輔助動力系統(auxiliary power unit,APU),用以在主發動機尚未啟動時提供液壓、發電、空調等的動力需求,也可以用來啟動主發動機。飛機上的APU通常是不具推進力的,而某些船艦也有稱為副推進單元(auxiliary propulsion unit)的裝置,但這種APU是為了在無法使用主輪機時用做備用輪機推供推進力的。

微型燃氣渦輪發動機[編輯]

MicroTurbine

微型燃氣渦輪也可以稱為:

  • 交流渦輪
  • MicroTurbine(該名稱已經被頂石渦輪公司註冊商用)
  • Turbogenerator(該名稱已經被霍尼韋爾電力公司註冊商用)

微型燃氣渦輪本質上是瞄準分散式發電和氣電共生用途,也是混和動力車的重點科技之一,商用中從一千瓦到數十數百千瓦功率都有市場潛力。1950年英國路華汽車(Rover)最早推出一款採用燃氣渦輪作為動力的概念車JET1」,但並未實際量產[1]

成功之處也得利於電子學的變革,包含無人運作和公用電網電腦化、電力切換調度科技可以使得發電來源不必和電網綁死,讓發電機可以加入渦輪構造並提供2倍的效能。因為微型燃氣渦輪發動機有許多優點超越傳統往複式發動機,可以產生更高能量密度效率(與重量和尺寸相關),極低的熱輻射和極少的移動部件使其容易維修,還可以省下空調所需的潤滑油和冷媒。通常渦輪也能更有效降低廢熱消耗,同時也能省下冷卻系統的耗能[2]。但是,活塞發動機發電機對需電量變化的反應比較快,而且活塞發動機通常比較有效率──雖然說微型燃氣渦輪發動機的效率正在增加。相較於活塞發動機,微型燃氣渦輪發動機的效率在低輸出狀態時下降更多。

微型燃氣渦輪發動機接受多種燃料,例如汽油天然氣丙烷柴油煤油,也可以利用可再生燃料,例如E85酒精汽油、生物柴油生物氣體。另外一大好處是可以用為動力燃料,就像目前熱門的燃料電池,可以從水中分離的氫作為來源。但是缺點是易燃,使得這種攜帶型裝置未來可能不能帶上飛機或其他敏感場所[3]

微型燃渦機使用單段式壓縮機設計,但是單段式渦輪機件比較難生產因為必須承受高溫高壓下運作。廢熱可以用來提供熱水、暖氣、乾燥用途或吸收式冷卻法(吸收式冷卻是不利用電能而是熱能提供冷氣的方法)。

典型的燃渦機效率約25%到35%。但是連上廢熱發電系統(氣電共生)系統時,可以提升到80%。

麻省理工學院 1990年代中期開始公釐尺寸燃渦機研發專案由航太教授Alan H. Epstein帶領開始研擬個人用的燃渦機可以達成所有現代電力需求,就像目前一些小型都市用的大型發電用燃渦機一樣。 Epstein教授說目前商用可充電鋰離子電池只約有120-150 Wh/kg能量比,麻省理工學院的公釐尺寸燃渦機已經可以達成500-700 Wh/kg能量,也有極大希望在不久的將來達成1200-1500 Wh/kg [4]

澳洲發明家開始研究這種微電機系統科技(MEMS)為攜帶型裝置供電的可能性,這種系統使用或丁烷為燃料以達到超高速的2百萬RPM轉速。這種燃氣渦輪發動機的製造採用晶片產業的科技,而且大多以矽為原料。這種燃氣渦輪發動機可以接上發電機來提供電力[5]

相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

延伸閱讀[編輯]

外部連結[編輯]