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發信人: cobrachen@cis_nctu (mustang), 信區: weapon
標 題: 噴射發動機：渦輪段
發信站: 交大資科_BBS (Mar 16 02:51:47 1996)
轉信站: cis_nctu
位於燃燒段後方的是渦輪段，渦輪段的主要作用有二：
一是將高溫的氣流轉化為高速氣流，二是利用高速氣流的動能帶動渦輪，
經由驅動軸帶動前方的壓縮段和風扇。渦輪段的主要構造和壓縮段非常
相似，都是由轉子、葉片和驅動軸共同組成。在構造分別上也和壓縮段
一般區分為高壓和低壓渦輪。高壓渦輪位於緊接燃燒段的內側，接受直
接由燃燒段釋放的氣流，高壓渦輪段會以較高的速度旋轉並以驅動軸帶
動前方的高壓壓縮機。低壓渦輪段位於後方，承受經由高壓渦輪而來的
氣流，並以驅動軸帶動前方的低壓壓縮段。因此一具噴射發動機的驅動
軸至少有兩層，分別以不同的速度運轉帶動高、低兩段的壓縮機。前一
次提過像是勞斯萊斯的RB199的驅動軸有三層，也既是說它的渦輪段分成
三種不同的速度在運轉，這種發動機製造上的精密渡水準要求較高，目
前軍用發動機似乎不多見。
渦輪段是一具發動機中最難製造和設計的部份，因為牽涉到熱和流這兩樣
東西。熱是指高溫、高能量的部份，流是指高速氣流的部份，然後還有兩
者間的能量轉換，材料問題等等。我試著解釋一下。
來自於燃燒段的高溫氣流進入此處開始混流，並且接觸渦輪葉片，如何有
效的導引這些氣流使其能量轉換成高速氣流之外，還要注意不能在轉換的
過程當中損耗過多的能量，並且要能夠穩定氣流。高速的氣流相當難穩定
，如果造成亂流會影響到燃燒過程進行的順暢而導致回火（Surge)，嚴重
時就是發動機熄火。
而高速氣流施加在渦輪葉片上的應力使得葉片不緊要承受自身旋轉時因高速
產生的離心加速度而導致的應力，還要承受氣流施加的應力，這兩者之間
對渦輪葉片材質強度的考驗非常嚴格。另外一點，高溫對材質會產生另一種
影響：腐蝕。這裡的腐蝕並不是指一般低溫下的腐蝕，而是指因為高溫對材
質產生變化引起強度上的減弱，甚至加速氧化或是晶體結構崩壞的速度，
這個部份可能要請學材料的網友協助說明。因此，渦輪段的葉片不僅要耐高
溫，還要有高應力強度，住兩點加在一起使得發動機的開發變成和材料冶金
技術有極大的關連。難度之高可以從目前可以開發軍用發動機的公司數目
屈指可數而得知。
在經過長久的努力之後，首先解決的方式是引入低溫氣流對葉片進行冷卻，
也就是說讓低溫（這是只相對與燃燒後的溫度）氣流流經葉片內部冷卻
葉片，讓葉片的溫度可以保持在一定的範圍之下，因此渦輪葉片上有許多
小孔，甚至內部有中空的溝槽來引導冷卻氣流的通過。
但是光是這樣僅能解決部份問題，當然燒溫度持續增高且渦輪旋轉速度
也跟著水漲船高之際，不由材質本身下手是沒有用的。但是材質的決定
也有許多因素的限制，像是加工的容易程度，成本的高低等等，而想要
增大推力的最終解決辦法是增加燃燒溫度，所以渦輪葉片的在高溫下的
強度必須隨之提昇，這也增加渦輪葉片製造上的難度。
一般金屬內的晶體結構一定會有瑕疵，這些瑕疵會因為應力或是溫度或
其他因素而成長，當瑕疵大到某一定程度就會造成晶體結構的崩壞，這
種瑕疵最常見於晶體與晶體的接縫處，因為這種不連續面最容易形成
結構上的弱點。由於在高溫下結構瑕疵的成長速度會加快並且持續惡化，
因此如果可以免除掉晶體間的結構瑕疵，那就有可能強化金屬本身的強
度和對溫度的抵抗。所以單晶成長技術的研發於是展開。這種技術是將
整個產品（像是葉片）經由某種製成使其整體就是一個晶體，因此晶體
間的瑕疵不復存在，因為一個葉片只是一個晶體。這種技術的確可以解決
多晶體金屬所產生的弱點。缺點是生產不易，尤其是早期量率太少，有一
點像是生產矽晶圓的過程。美國兩大發動機公司：普懷和通用動力，普懷
率先開發出單晶成長技術並應用在一系列軍用發動機上，因此60年代到
70年代是普懷的天下，可是因為量率的問題，造成成本過高，且產能不足，
甚至還有品質欠佳的狀況，導致美國海空軍一度大批飛機停飛待料，也
使得通用動力得以重回美國軍方懷抱，演變成今天這種雙雄對峙的局面。
不過單晶成長技術後來也由普懷轉移至通用動力。目前普懷已經解決
這一方面材料和生產上的問題，重新生產大推力的發動機。我沒有很詳細
去查數據，不過印象中普懷的發動機的推力比較大就是因為單晶技術的
支持。
整個發動機的基本解釋到這裡一共是三個部份，有關噴嘴，後燃器的部份
我會擇期再POST。這一篇因為牽涉到許多材料方面，還請有經驗的網友
協助指正。
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BM註:常溫下 晶界是金屬中最強固的地方 由於差排和雜質在晶界析出 在晶界處材料
的熔點異常的低 於是在高溫時 晶界就變成最弱的地方了
單晶的製造是衍生於單向晶的製造 在冷卻的時候維持很精準的溫度梯度 使初晶
的析出發生在邊界 隋著冷卻的進行 晶體成長成細長的纖維狀 而單晶的製造在於
在纖維中通過細長孔道的結晶過程 出口處成為單一晶種 在慢冷和精細的溫度梯
度下成為單晶的成長