飞机引擎介绍

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第一章　飞航重要概念　　在此实不需赘言飞机为何会飞之类的常识，相信各位都了解白努利定理、作用与反作用力之类的物理常识。以下各部份，为经常发现会产生疑惑的问题，特别整理于下。第一节　涡轮发动机一、基本名词解释　　　　左图为劳斯莱斯劝特(Trent)800涡轮扇发动机。一具涡轮发动机从前到后基本可分三大段：压缩段、燃烧段、涡轮段。在早期纯喷射(Purejet)发动机中，压缩段将空气压缩，进入燃烧室燃烧后，向后推动涡轮转动并排出机外产生推力；而转动的涡轮则向前带动压缩机一起转，于是前方压缩机源源不断的转动压缩空气进燃烧室，而排出的高温高压气体则又继续推动涡轮叶片转动。理论上只要燃烧室没熄火，这具发动机便会继续不断的运作。　　目前本公司采用的喷射机种均配备涡轮扇发动机。这和纯喷射有何区别？主要差在前方压缩段的设计。压缩段一般而言分为低压压缩段和高压压缩段，这两段压缩机叶片的转速依目前绝大部份现役的商用发动机而言是不同的，一般有两个轴心(劳斯莱斯偏好三轴)，由不同涡轮推动不同的压缩段。涡轮扇发动机主要就是将低压段的扇叶加大直径，使其成为推力之主要产生来源，其向后推出的气流大部份进入旁通管道流出机外(即旁通气流)，只有少部份进入第二段高压压缩机。可见上图，前方一截棕色外罩部份即是所谓低压扇叶部份，接下来直径较小，密密麻麻的扇叶则是高压压缩机，并可以看出低压扇叶向后推出的气流大部份都排出去了，这正是涡轮扇发动机的主要动力，而并非从喷口出来的气流。　　讲这些有何意义呢？我们来看FS中的发动机仪表。11/11 　　这是很典型的FS发动机仪表。由上到下只有四个部份：N1:低压压缩段最大转速之百分比。假设扇叶额定之最大转速为10000转/分，你转到9000转/分，N1就显示90。当然可以操到破表，如N1到一百多，但想也知道会伤，非特殊状况是尽可能避免的。EGT:排气温度。一般正常我们不看这个，除非手贱去FS中设定发动机会故障。排气温度过高可能起火了；过低则可能快要熄火。N2:高压压缩段最大转速之百分比。基本上我们也不看这个，除非你想自己发动引擎。引擎发动程序中，先以气源吹动高压段使N2转到约20以上，再点火、供油，轰一声点燃并带动涡轮机，N1数字也跟着慢慢升上来。FF:燃油流量，图中显示为每小时1950磅，两具加起来3900磅。这在飞长程线时是非看不可的数值，不去注意巡航时燃油流量，可能飞不到目的地。所以巡航时看看每小时耗多少油，再看看剩多少磅燃油，再算一下所剩航程还要飞多久，就心里有数了。FS2000的777-300发动机仪表，可见上端之EPR　　我们飞行时主要看的两个数值，一个是N1，一个是FF。因为涡轮扇发动机主要推力是由低压压缩段的扇叶产生，所以其转速即可象征发动机推力大小，是故N1值可为发动机推力大小的指针。但有的厂牌发动机不是看N1，而是看压缩比(EPR)，如普惠(PW)发动机。压缩比是压缩机进气口和涡轮出气口的压力比，压缩比越高，也可以代表产生的推力越大。11/11 涡轮扇发动机剖面图EPR为PT7与PT2之压力比值二、省油与省时　　我们必须先把「引擎转速表」的观念踢开。是的，汽机车引擎转速越高，代表越耗油；而且还可能是很固定的多少转速下意味着多少耗油率。但N1值不同，它只是一个风扇转速而已，不代表在这种转速下会如何的耗油。虽然在同一个操作环境下(如同一高度、温度…)，N1值越高意味着要推更多的油，其耗油量也越大，但在不同操作环境下，N1=90%有可能比N1=50%来得省油。　　以下列出长程机型在FS中实际飞测的数据：11/11 　　左侧数值是固定于燃油残油量45%时，于各巡航空层测出的数值，大气状态为标准大气环境。AB6巡航速度固定为0.80马赫，744为0.86马赫。　　我们从表格数值即可看出很多现象，如飞得越高越省油。以AB6来看，巡航高度FL450与FL200飞0.80马赫N1均为82%，但FF一个是265，一个破表(超过999)，首先即说明了N1值大小和它会耗多少油是一点关系都没有。　　其次，要维持一定马赫数，基本上高度越高N1值越低；但到了一个临界高度以上，反而N1会开始增加。因为空气太稀薄，推力不足，故风扇得转得更快些。不过即使如此，还是越高越省油。(真实飞行倒不见得都是如此，重量太大又飞太高，可能会较耗油)　　但省油是一回事，是否合乎效率？A300-600R马赫数：0.80飞航空层N1FFIASGSFL15083%破表431501FL20082%破表389489FL25081%821*2351478FL30080%597*2314469FL35079%432*2279460FL40080%318*2242454FL45082%265*2214453FL50089%254*2190454　　B747-400性能B747-400马赫数：0.86飞航空层N1FFIASGSFL15094%破表468537FL20090%破表423524FL25086%破表383514FL30083%991*4342505FL35080%673*4305495FL40078%450*4264488FL45078%357*4234487FL50081%322*4208489　　我们可以看表格最右方的GS(地速)，这是飞机实际与地球表面的相对速度，关系着你的航程要飞多久。我们也可以发现，维持同一马赫数，高度越高速度越慢，一直到同温层高度为止(颜色较深之表格，37000~65000呎)。此后由于空气继续稀薄，指示空速(IAS)持续下滑，但地速维持稳定。爬得再高，速度不变，但更省油。所以我们就了解了，为什么飞机──尤其是飞长程线的飞机都要拼命向航管ㄠ较高的飞航空层，原因即在此。不过还得看性能，你飞机重量太重或升力不足，机头翘得半天高，爬不上去也不能怪谁。一般飞机是采用「阶段性爬升」的方式，烧掉一定重量的油，爬到一定高度；重量越轻，爬得越高。可能FL310飞一阵子，再爬到FL350烧烧油，再爬390，再爬430。　　但是，若不是燃油考量很大的长程航班，我们也不必太注重省油，而可能强调速度。因此，有时必须自行取一个均衡点。如香港、东京等航线，商务旅客多，你班机飞行时间比别家公司长，下回人家就不坐你飞机了。于是在固定巡航马赫数的条件下，高度则不能飞高，可能飞个三万一至三万五不等；若是爬到了三万七以上，那就干脆尽量爬高，到时降得下来即可，反正地速都一样快，只是爬越高机头也翘越高，飞起来心里不太舒坦。短程线则又是另一考量，距离太短了，你飞高了到时下不来，也没实质意义。是故短程线顶多也只能飞到FL240左右，而且还不一定是按马赫数飞。　　讲到此，各位一定要了解一件事：上表为虚拟航空的虚拟飞机之性能，747和AB6根本爬不到五万呎，别拿这张表当真，甚至和人辩论飞机性能。11/11 三、如何粗估航程所需油量(ForFS2000)　　飞FS长程线时，我们最想知道的一个问题就是飞机的油到底够不够飞到目的地。对此，FS2000中有个很简单的办法介绍如下：1.由左上图得知目前耗油量为每小时6820*2,=13640磅。2.由右上图GPS显示屏的RouteETE得知，航程还要8时40分。(按MODE两次即出现此画面)3.由左图得知目前燃油剩122202磅。　　于是，小学数学就可以解决了：13640*8.67约=118258.9，<122202我们从此可以知道，油是一定够的！何况降高时油门还是收着的。虽然低空低速时耗油量又会加大许多，但总的来说实际耗油只会比算出来的要少些。此法FS98也是可用，但是需要外挂的GPS软件，而且还要能显示航程所需时间。11/11 四、发动机推力　　基本上，空气密度越大，发动机效率越好；而空气密度主要是与气温有关：温度越低(当然不能低到发动不了)，空气密度越大，发动机效率越高。因此，在同一个高度，温度越低，效率越高；不同高度则还要考虑到「越往高处密度越低」的倾向。温度低将推力往上加，高度则把推力往下拉，何者的力量较大？　　很遗憾，是高度的影响。因此，飞机的推力是越往高处爬，它越往下掉。可是我们不能不爬呀！爬到多高是较符合推进效率呢？　　基本上是36000~37000呎，也就是同温层的边界。因为再往上爬，温度不降了，但空气密度还是持续减少，推力也会明显的往下掉。在可接受的推力降低范围内，再爬高还是继续省油；但爬到发动机受不了了，没力了，那就到此为止。同一高度之倾向：温度越低，发动机推力越大。不同高度之倾向：高度越低，发动机推力越大。　　我们飞FS时感受的到上述这些现象吗？这是很有趣的一点。FS的空气密度是随着高度继续下降，这点仿真出来了。所以在我们没去动各空层温度设定时，它是很准确的。不过在同一高度，你改了该高度的温度，空气密度也随之变化，但变得很诡异。如下表，这是在FS2000中于FL330高度时，任意改温度测试之数据，维持马赫数M.80，无风状态。机外温度(c)N1%IASGS(=TAS)MachFF-53782934370.80456-28832934610.80664-15842934720.80758+51962935330.80破表　　看出端昵没有？指示空速不变耶！其它性能数据的变化，都是因为温度变化导致的音速变化而来，但是指示空速没变。这当然可以代表空气密度有变化，因为真空速改变了。如真空速变大，指示空速不变，代表空气密度变低；而空气密度变低，压缩机此时就要更死命的转，把更多空气压榨进来，因此N1值也提高了，连带着油耗也增加。但是，为什么指示空速是定值？　　这是不可能的！《仪飞教材》中有一段公式：飞行高度中气温+(绝对温度×标准大气压)TAS=IAS×────────────────────标准温度+(绝对温度×飞行高度中大气压)也就是：标准温度+(绝对温度×飞行高度中大气压)IAS=TAS×────────────────────飞行高度中气温+(绝对温度×标准大气压)11/11 　　现在固定值有绝对温度、标准大气压、标准温度、飞行高度中大气压，变量只有飞行高度中气温。设(绝对温度×标准大气压)=X，(绝对温度×飞行高度中大气压)=Y(大气压肯定没变，不然垂直速率表一定会动)Y(TAS)IAS=────温度+X代入以上数据：Y(437)Y(461)293=────293=────(-53)+X(-28)+X解二元一次联立方程式：293X-437Y=15529293X-461Y=8204-898Y=7325Y=-7325X=-3361296再代入一组数值验算：Y(472)293=────(-15)+X-3457400/-3361311不等于293故胡扯。11/11 第二节　速度　　速度控制为飞行之首要，速度不够就会栽下去；速度太快就会损坏。这两个毛病…大家都不会犯。因为达到这两种速度之前，飞机上的警报器就响了，你就会推油或收油。但无论如何，飞行员若是不了解速度，根本就不能算是在开飞机，因为他并未能掌握其飞行状态。一、四种速度类型　　航机上所用的速度有四种：指示空速(IAS)、真空速(TAS)、地速(GS)、马赫数(Mach)。同样，以最简单的方式说明如下：1.指示空速：就是飞机和空气相撞的速度，也是空速表上显示的速度。2.真空速：飞机事实上在空气中移动的速度，也就是经气压换算成海平面高度的指示空速，还不懂继续看下面…3.地速：实际对地速度，无风时就等于真空速。这样懂了吗？4.马赫数：就是音速的N倍。温度越高，音速越快。国中物理有教。二、指示空速、真空速与地速　　指示空速是以空速管(或称皮托管,Pitot)测出，非常简单，该多少就是多少。大型客机有些是用经大气计算器修正过的「校正空速」，这太复杂，不用理它。指示空速并不代表你飞机真正的速度，因此不能由指示空速来理解你到底飞多快(当然也可以套公式按按计算器，或飞久了凭经验也是可以推测啦)。那为何空速表不显示地速或真空速，反而要显示指示空速呢？　　上文说得很清楚，那是你和空气相撞的速度。飞机因与空气相撞而得到升力并使飞操翼面得以发挥功能。因此，指示空速是飞机的气动力性能指针。同仁们有无发现，在指示空速慢的时候，不但机头翘很高，连飞机动作都不太灵活；而指示空速快的时候，机头越压越低，翼面操作则变得十分灵敏。因此指示空速对飞行员了解飞机飞行状态而言，是非常重要的参考数字。也因此，诸如收放机轮、Flap；失速速度、进场速度、最大XX操作速度…等诸多飞行性能参考速度等，都用指示空速。当然也有例外，详见下文「马赫数」部份。　　由于指示空速是和空气相撞的速度，因此空气越稀薄，「撞击力道」就变小。当我们固定N111/11 值、马赫数或油门位置爬升时，尤其到了三万呎以上还继续爬，我们会很震惊的发现指示空速显著地越来越小，给我们一种飞机「没力了」、速度越来越慢的感觉。其实你看看此时的地速，可能还是在逐渐增加当中；但若是速度持续一直下降个没完没了，那意味着你真的把飞机搞没力了，升力快消失了！此时则应减少上升率或多推点油，否则就等着失速警告响吧。现在同仁们应该能了解，指示空速虽然不能作为飞行速度的精确依据，但对操控飞机则是非常重要的参考指针。　　飞行时我们通常不理会经大气计算器算出来的真空速，若没有转换为地速，实在是没什么实质上的参考价值。真空速转换为地速，则是扣除风的效应。如真空速200节，顶风10节，则地速为190节。所幸我们不必这么无聊的去算它，FS2000的GPS窗口打开，GS就显示出来了；FS98则无，但可以挂上如NavDash之类的软件，或采用一些有显示地速在PFD(主飞航显示屏，通常中间是摆姿态仪)上的仪表，但很多都是Shareware，要美金的；另也可暂时将FS98仪表设定为显示真空速，详见仪飞教材。　　地速才是你实际相对地球表面飞行的速度。我们可以玩一个游戏，我试过，真的可以玩：西斯纳「垂直起降机」1.西斯纳停在任何机场跑道，Flap全放。2.另设风向顶风，风速80节。3.油门全开。4.飞机此时就自动抬头起飞，但却是向后倒退，空速表约指向62~65不等。5.升到安全高度，如1000呎时，调配平压机头(按数字键的"7")，IAS会增加。6.待空速表精确的指向80时，你会发现飞机几乎是静止的定在空中。7.80不等于0,故得证。※在FS98的或FS2000的中所设的速度是地速，所以你飞机摆得越高，得设越快，否则一激活可能就失速下坠。※FS的录像文件拨放时仪表显示为地速。※FS飞行中按显示的速度为指示空速，同仪表显示。三、马赫数　　前文中的长程机型性能表格已解释得很清楚，因音速和温度相关，高度越高温度越低，音速越慢。因此，同样要达到一个马赫数，在低空时要比高空时来得拼命些。这也意味着，同一个马赫数，低空要比高空来得快。　　问题来了。马赫数既然也很不固定，为何高空巡航时都用马赫数而不用指示空速、真空速或干脆用地速？　　我们进FS用其内建的737或777仪表来做个实验。看到空速表(指针式)上红白相间的指针了吗？相信大家都有经验，超过那根针，超速警告就会响。好，起飞前先看清楚那根针在什么位置，然后咱们一飞冲天。咦？那根针随着高度越高它越往下降了！难道FS有BUG11/11 ？不是说指示空速是飞机撞空气的速度吗？照理说这个速度限制应该是固定的才是。不多说，再飞一趟测数据！试飞机型：FS2000内建737-400巡航高度速限指示相对马赫数巡航高度速限指示相对马赫数FL310319M.83FL360285M.83FL320312M.83FL370278M.83FL330305M.83FL380272M.83FL340298M.83FL390265M.83FL350292M.83FL400259M.83　　它竟然跟音速有关系，原来那根针是会随着马赫数移动的。低空它不动，因为最大马赫数限制(Mmo)还在「破表」阶段；而大约到了18000呎左右指针开始下降，因为音速降下来了。　　再看上表，若前文尚未融会贯通者一定会想不通一点：FL370以上不是同温层吗？温度固定，音速也固定。为何维持同一马赫数，越往高处爬，IAS还是一路往下掉？至于为什么，自己慢慢想吧！好玩的逻辑陷阱，保证前文有提过，可检验自己是否为数理逻辑容易短路的人。这样的人很难当机师喔！左侧显示飞机在约100呎高度，右侧则在FL310。注意两者指示空速和马赫数。　　言归正传，为什么要限制马赫数？各位有没有听过一个名词，叫「音障」？这两个字可是害死了不少二次大战及战后初期的优秀飞行员。战争末期战斗机的马力已提高到两千匹左右，虽然平飞时仍无法接近音速，但从高空向下高速俯冲可就很难说了。于是经常发生离奇案件，明明指示空速不快，飞机就他ｘ的给我震动、拉不动杆、扭曲变型，甚至空中解体。原来这些英勇的飞行员当时已接近音速。11/11 　　简单的说，飞机向前移动会推挤空气，空气被推挤除了对飞机产生相对压力外，也会像水一样产生震波；而此震波是以音速向外扩散出去。在速度慢时感受不太出来，但慢慢接近音速时，前方被挤压的空气便挤成一团，震波越来越难散出去了，对机身造成的压力也就越来越大，一直到一马赫的速度为临界点。超过一马赫，等于飞机钻出了这死胡同，这堆压缩气体被忽然释放，于是就「轰」的一声形成「音爆」。　　因此，越接近音速，机身结构所承受的压力越大。是故目前巡航于高空的喷射客机都用马赫数来指定最大速限，及巡航速度等数值。就速度规范上来说，在高空马赫数比指示空速更具意义。因为在高空往往还没达到指示空速的速限时，就先撞到马赫数的限制了。第三节　攻角与失速一、攻角(AngleofAttack,AOA,或称冲角)　　首先要先厘清一个观念，俯仰角(Pitch)不等于攻角，这是两码子事。俯仰角是机身与水平的夹角，也就是我们在姿态仪(ADI)上看到的角度。起飞后「以15度仰角爬升至1500呎」，讲的就是这种角度。不论飞机怎么飞，往上飞还是往下飞，机身和水平是几度，俯仰角就是几度。　　那攻角是什么？首先要理解「攻」这个字。基本上「攻击」本身即是两股势力的碰撞，如国军碰撞美军，把美军撞散了，共产党万岁。攻角则是机翼(翼弦)与「相对风」的夹角，也就是气流实际冲撞机翼的角度(或反过来讲亦可)。　　若想不通攻角和俯仰角有什么差别，我们举个简单的例子。飞机Pitch=0，机身保持水平，但是它正在下降。请问，此时气流是水平的吹向机翼，还是由前方以一个角度往上吹向机翼？待续……….版权所有:A340-300EMAIL:a340-300@163.com11/11