渦輪噴射引擎
渦輪噴射發動機（英語：Turbojet，簡稱噴射發動機或渦噴引擎）[1]是一種渦輪引擎。特點是完全依賴燃氣流產生推力。通常用作高速飛機的動力。油耗比渦輪扇引擎高。
渦噴引擎分為離心式與軸流式兩種，離心式由英國人弗蘭克·惠特爾爵士於1930年取得發明專利，但是直到1941年裝有這種引擎的E-28/39才第一次上天，一直試飛到了1944年，因此沒有參加第二次世界大戰。二戰盟軍唯一參與過作戰噴射式戰鬥機是格洛斯特流星式。軸流式誕生在德國，並且作為第一種實用的噴射式戰鬥機Me-262的動力參加了1944年末的戰鬥。相比起離心式渦噴引擎，軸流式具有橫截面小，壓縮比高的優點，但是需要較高品質的材料——這在1945年左右是極為稀少和昂貴的。當今的渦噴引擎多為軸流式，而小型發動機上仍可能使用離心式壓縮，以減輕重量和減去不必要的推力。
圖片注釋：1 - 吸入, 2 - 低壓壓縮, 3 - 高壓壓縮, 4 - 燃燒, 5 - 排氣, 6 - 熱區域, 7 - 渦輪機, 8 - 燃燒室, 9 - 冷區域, 10 - 進氣口
結構
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圖片注釋：順時針依次為：離心葉輪（壓縮機），軸，渦輪機，噴嘴，燃燒室
圖片注釋：左至右依次為：壓縮機、燃燒室、軸、渦輪、尾噴嘴
進氣道
[編輯]軸流式渦噴引擎的主要結構如圖，空氣首先進入進氣道，因為飛機飛行的狀態是變化的，進氣道需要保證空氣最後能順利的進入下一結構：壓縮機。進氣道的主要作用就是將空氣在進入壓縮機之前調整到引擎能正常運轉的狀態。在超音速飛行時，機頭與進氣道口都會產生震波，空氣經過震波壓力會升高，因此進氣道能起一定的預壓縮作用，但是震波位置不適當將造成局部壓力的不均勻，甚至有可能損壞壓縮機。所以一般超音速飛機的進氣道口都有一個震波調節錐，根據空速的情況調節震波的位置。
兩側進氣或機腹進氣的飛機由於進氣道緊貼機身，會受到邊界層的影響，還會附帶一個邊界層調節裝置。所謂邊界層是指緊貼機身表面流動的一層空氣，其流速遠低於周圍空氣，但其靜壓比周圍高，形成壓力梯度。因為其能量低，不適於進入引擎而需要排除。當飛機有一定攻角時由於壓力梯度的變化，在壓力梯度加大的部分（如背風面）將發生邊界層分離的現象，即本來緊貼機身的邊界層在某一點突然脫離，形成湍流。
湍流是相對來說的，簡單說就是運動不規則的流體，嚴格的說所有的流動都是湍流。湍流的發生機制、過程的模型化現在都不太清楚。但是非指湍流不好，在引擎中很多地方例如在燃燒過程就要充分利用湍流。
壓縮機
[編輯]壓縮機的渦輪葉片由定子（stator）葉片與轉子（rotor）葉片交錯組成，一對定子葉片與轉子葉片稱為一級，定子固定在引擎框架上，轉子由轉子軸與渦輪相連。現役渦噴引擎一般為8－12級壓縮機。級數越多越往後壓力越大，當戰鬥機突然做高機動時，流入壓縮機前級的空氣壓力驟降，而後級壓力很高，此時會出現後級高壓空氣反向膨脹，引擎工作極不穩定的狀況，工程上稱為「喘振」，這是引擎最致命的事故，很有可能造成熄火甚至結構毀壞。 防止「喘振」發生有幾種辦法。經驗表明喘振多發生在壓縮機的5，6級間，在此區間設置放氣環，以使壓力出現異常時及時洩壓可避免喘振的發生。或者將轉子軸做成兩層同心空筒，分別連接前級低壓壓縮機與渦輪，後級高壓壓縮機與另一組渦輪，兩套轉子組互相獨立，在壓力異常時自動調節轉速，也可避免喘振。
燃燒室與渦輪
[編輯]空氣經過壓縮機壓縮後進入燃燒室與煤油混合燃燒，膨脹做功；緊接著流過渦輪，推動渦輪高速轉動。因為渦輪與壓縮機轉子連在一根軸上，所以壓縮機，壓氣機與渦輪的轉速是一樣的。最後高溫高速燃氣經過噴嘴噴出，以反作用力提供動力。燃燒室最初形式是幾個圍繞轉子軸環狀並列的圓筒小燃燒室，每個筒都不是密封的，而是在適當的地方開有孔，所以整個燃燒室是連通的，後來發展到環形燃燒室，結構緊湊，但是整個流體環境不如筒狀燃燒室，還有結合二者優點的組合型燃燒室。
渦輪始終工作在極端條件下，對其材料、製造工藝有著極其苛刻的要求。目前多採用粉末冶金的空心葉片，整體鑄造，即所有葉片與葉盤一次鑄造成型。相比起早期每個葉片與葉盤都分體鑄造，再用榫接起來，省去了大量接頭的質量。製造材料多為耐高溫合金材料，中空葉片可以通以冷空氣以降溫。而為第四代戰機研製的新型引擎將配備高溫性能更加出眾的陶瓷粉末冶金的葉片。這些手段都是為了提高渦噴引擎最重要的參數之一：渦輪前溫度。高渦前溫度意味著高效率，高功率。
噴嘴及後燃器
[編輯]噴嘴（nozzle）的形狀結構決定了最終排出的氣流的狀態，早期的低速引擎採用單純收斂型噴嘴，以達到增速的目的。根據牛頓第二定律，燃氣噴出速度越大，飛機將獲得越大的反作用力。 但是這種方式增速是有限的，因為最終氣流速度會達到音速，這時出現震波阻止氣體速度的增加。而采推力向量引擎，而世界上第一種正式服役的第五代戰鬥機——美國的F-22更將此一技術發展至一個更成熟、可靠的層級，比起前兩者也有更好的性能。燃氣舵面的代表是美國的X－31技術驗證機。
在經過渦輪後的高溫燃氣中仍然含有部分尚未來得及消耗的氧氣，在這樣的燃氣中繼續注入煤油仍然能夠燃燒，產生額外的推力。所以多數現代戰機戰機的引擎在渦輪後加裝了後燃器，以達到在短時間裡大幅度提高引擎推力的目的。一般而言後燃器能在短時間裡將最大推力提高50％，但是油耗驚人，一般僅用於起飛或應付激烈的空中纏鬥，唯一可以在超音速巡航時全程開啟、並達到最佳效率的是SR-71。
使用情況
[編輯]渦噴引擎適合航行的範圍很廣，從低空低次音速到高空超音速飛機都廣泛應用。前蘇聯的戰鬥機米格-25高空超音速戰機即採用米庫林-圖曼斯克設計局的渦噴引擎作為動力，曾經創下3.3馬赫的戰鬥機速度紀錄與37250米的升限紀錄。（這個紀錄在一段時間內不太可能被打破的）
與渦輪扇引擎相比，渦噴引擎燃油經濟性要差一些，但是高速性能要優於渦扇，特別是高空高速性能。
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ 雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網. 國家教育研究院.. [2013-06-17]. （原始內容存檔於2020-08-24）.
