淺談航空渦輪引擎

航空渦輪引擎是一種燃氣渦輪引擎(Gas Turbine Engine)，利用燃燒汽油產生的能量來產生動力，常見的航空渦輪引擎有三種，分別是渦輪風扇(Turbofan簡稱渦扇)、渦輪螺旋槳(Turboprop簡稱渦槳)及渦輪軸(Turboshaft簡稱渦軸)：

渦輪風扇引擎是飛機使用最廣的，利用風扇加壓氣流後排出產生向前推力，引擎內的氣流還提供民航飛機座艙加壓及空調系統及防冰系統加熱，同時用來控制反推力機構，另外經由其附件齒輪箱提供飛機部分的電力及油壓控制；

圖中最前面白色前緣的黑色葉片就是風扇，GE90的風扇是由複合材製造，價格不斐，官方報價每片超過三百萬台幣。

渦輪螺旋槳顧名思義則是使用渦輪引擎旋轉帶動螺旋槳，使用在低速的飛機上；

渦輪軸多使用在直升機上，經由齒輪轉向90度帶動旋翼。

渦輪引擎主要的構成是壓縮機、燃燒室、及渦輪機，壓縮機吸入空氣，並將氣流加壓升溫，使進入燃燒室的空氣能高效率的燃燒，最後經由渦輪機將高壓高溫的氣流噴射出去，並帶動同軸的壓縮機維持運轉。

渦輪引擎效能的重要指標有氣流量(推力)、壓縮機出口氣流壓力及燃燒溫度(效率)，這會影響到燃油消耗率(經濟、航程)及排氣汙染(環保)。另外渦輪機的出口溫度是在運轉中重要的監控數據，過高的溫度顯示引擎的效能衰退嚴重。

為了有更好的效率，會用低轉速的壓縮機做初步加壓(如GE90途中直徑較大的前段)，再用同心軸的高轉速的壓縮機加壓到需要的壓力，勞斯萊斯的引擎甚至有低中高三個轉軸。

壓縮機內的氣道是由外圈- 機匣(case)及內圈- 單級葉輪(disk)或多級葉輪軸(spool)構成，氣流會經由好幾級(stage)的葉片壓縮，每一級的葉片包含安裝在輪盤上的葉片(rotor轉子)及一圈固定的葉片(stator定子)，壓縮機葉片外觀較薄，類似鏟子將空氣帶入，如下圖：

壓縮機的定子葉片主要的目的是將由轉子出來的氣流導正到與軸平行的方向，以提高氣流的壓力，軸流式壓縮機每一級的壓縮比不高，目前較先進的高壓段壓縮機平均約在1.4，因此需要很多級才能達到需要的壓力，通常在30大氣壓以上；壓縮機雖被稱為冷段，但其出口溫度在起飛時可達到攝式600度，零件使用的金屬材料以鋁及鈦合金為主，也有耐高溫的不鏽鋼，複合材料比例則多使用在攝式200度以下的低壓段的壓縮機。

渦輪機結構與同軸相連的壓縮機相似，不同的是定子(Nozzle Guide Vanes, NGV)在前，轉子在後，定子將氣流大角度的導向轉子，使氣流的衝擊力能最有效率的利用，葉片的外型較厚，前後緣也較圓滑以適應不同角度進入的氣流，由於高溫的工作環境，葉片中心會有冷卻氣流的通道，表面則有冷卻氣孔及隔熱塗層以加使用壽命，一般高壓渦輪機不超過兩級，低壓渦輪則最多六級。渦輪機屬於熱段，主要零件材料都是耐高溫腐蝕的鎳基超合金，如Inconel、Rene等。

介於壓縮機與渦輪機中間的燃燒室主要有內、外筒、噴油嘴及點火器，由於燃燒溫度高於攝氏1400度，與渦輪葉片一樣會有冷卻與隔熱的設計。雖然與渦輪機一樣屬於熱段，但由於是固定式的結構，且燃燒室內的壓力差很小，零組件的損耗較低，修補也較容易。

內筒及外筒上布滿的大孔是要讓大量的冷卻氣流進入燃燒室內，除了快速降溫保護零件外，氣流中的氧氣也能讓燃燒更完全。

除了本體外，一個完整功能的渦輪引擎還包括電子控制系統、啟動系統、燃油系統、液壓系統、滑油系統，有機會再談。