Microsoft Word - 淺談氣渦輪之應用與發展-1st_draft.docx

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1 淺 談 氣 渦 輪 之 應 用 與 發 展 - 陸 海 空 - 1* 許 智 能 1* 2 許 立 傑 國 立 勤 益 科 技 大 學 冷 凍 空 調 與 能 源 系 2 國 立 雲 林 科 技 大 學 機 械 工 程 系 摘 要 氣 渦 輪 (Gas Turbine), 可 稱 燃 氣 渦 輪 引 擎 (Gas Turbine Engine), 或 稱 燃 氣 渦 輪 發 動 機 (Combustion Turbine Engine), 是 屬 於 內 燃 機 引 擎 (Internal Combustion Engine) ; 而 蒸 汽 渦 輪 機 (Steam Turbine Engine) 是 屬 於 外 燃 機 引 擎 (External Combustion Engine); 兩 則 燃 燒 方 式 統 稱 為 熱 機 循 環 引 擎 (Heat Cycle Engine) 從 西 元 前 120 年 發 展 至 迄 今 西 元 2013 年, 已 由 陸 地 的 車 輛 行 動 載 具 和 工 商 生 活 的 應 用, 推 展 至 海 中 貿 易 經 商 和 軍 用 的 輪 船 砲 艦, 以 及 縮 短 人 類 旅 行 和 遨 遊 夢 想 天 際 於 空 中 飛 翔 的 航 空 器 及 軍 事 攻 擊 與 偵 察 之 武 器 系 統 等 動 力 引 擎 的 心 臟, 則 是 氣 渦 輪, 可 說 是 將 陸 海 空 的 應 用 發 揮 得 淋 漓 盡 致 對 於 氣 渦 輪 機 的 諸 多 優 點 如 高 推 重 比 高 轉 速 高 效 率 高 功 率 輸 出 高 可 靠 度 高 溫 廢 熱 再 回 收 可 用 於 熱 電 聯 產 單 一 方 向 旋 轉 運 作 低 操 作 壓 力 低 潤 滑 油 成 本 和 功 耗 可 使 用 各 種 燃 料 燃 燒 非 常 低 的 CO 和 HC 排 放 量 吸 入 空 氣 量 多 可 完 全 燃 燒 由 此 可 知, 氣 渦 輪 機 的 發 展 與 應 用 將 帶 給 人 類 與 世 界 更 美 好 的 未 來 1. 前 言 氣 渦 輪 機 如 此 活 躍 於 世 上 至 迄 今, 無 論 是 航 空 發 動 機 的 應 用, 使 用 國 與 國 之 間 的 距 離 縮 短, 人 與 人 之 間 的 接 觸 貿 易 及 旅 遊 的 時 間 節 省 了, 遨 遊 太 空 飛 行 的 太 空 梭, 海 面 上 及 海 面 下 游 走 的 船 隻, 地 面 上 的 穩 定 發 電 輸 出 之 電 力 和 行 動 車 輛, 人 類 生 活 的 應 用, 工 商 業 進 步 發 展 的 動 力, 微 機 電 化 的 研 究, 等 等 實 體 化 的 呈 現 於 世 人 面 前, 其 應 歸 功 於 它 有 著 高 推 重 比 高 效 率 高 旁 通 比 高 輸 出 功 率 高 可 靠 度 高 穩 定 性 高 轉 速 等 等 優 勢 因 此 想 必 未 來 氣 渦 輪 機 仍 會 持 續 的 發 展 先 進 技 術, 以 滿 足 世 人 的 需 求, 以 及 廣 泛 能 源 的 應 用 本 文 淺 談 內 容 主 要 是 以 內 燃 機 引 擎 方 向, 因 幾 乎 所 有 的 氣 渦 輪 機 都 是 以 內 燃 機 引 擎 為 主 ; 外 燃 機 引 擎 極 少, 不 在 本 次 研 討 中 呈 現 2. 理 論 原 理 氣 渦 輪 機 主 要 是 由 進 氣 道 (Intake) 壓 縮 機 葉 片 (Compressor Blade) 之 壓 縮 段 (Compression) 燃 燒 ( 器 ) 室 (Combustion Chambers) 渦 輪 葉 片 (Turbine Blade) 渦 輪 段 排 氣 噴 嘴 段 (Exhaust Nozzle) ( 視 需 求 增 加 後 燃 器 段 ) 等 冷 段 區 和 熱 段 區 組 成, 如 圖 1 所 示 循 環 理 論 原 理 過 程 是 因 氣 流 由 進 氣 道 進 入 壓 縮 葉 片 加 壓 成 高 壓 氣 體, 再 進 入 燃 燒 室 內 與 燃 油 噴 嘴 霧 化 油 滴 預 混 合 後, 經 高 壓 火 星 塞 點 後 於 燃 燒 室 形 成 高 溫 高 壓 膨 脹 之 火 焰 氣 體 推 動 渦 輪 段 之 渦 輪 轉 子 葉 片 轉 動, 使 熱 能 轉 換 成 機 械 能 輸 出 動 力, 然 後 將 高 溫 高 壓 氣 體 由 噴 嘴 排 氣 管 排 出 至 大 氣 環 境 中, 形 成 一 開 放 式 循 環, 稱 理 想 Brayton Cycle ( 布 累 登 循 環 ), 或 稱 簡 單 開 放 式 Brayton Cycle, 如 圖 2 所 示 ; 其 輸 出 機 械 能 中 有 一 部 分 是 用 以 驅 動 壓 縮 機 轉 動, 另 一 部 分 經 傳 動 軸 輸 出 用 以 驅 動 發 電 機 和 傳 動 機 構 系 統

2 圖 1. 氣 渦 輪 機 ( 燃 氣 渦 輪 發 動 機 )[1] 圖 2. 理 想 Brayton Cycle ( 布 累 登 循 環 )( 或 稱 簡 單 開 放 式 Brayton Cycle)[1] 進 氣 道 功 能 : 導 引 氣 體 順 利 流 進 壓 縮 葉 片 內 進 行 壓 縮 以 增 加 高 壓 氣 體 壓 力 壓 縮 機 ( 壓 縮 段 ) 功 能 : 對 氣 流 做 壓 縮 功 以 提 高 氣 流 的 高 壓 力 高 溫, 以 便 進 入 燃 燒 室 與 霧 化 油 滴 進 行 預 混 合 後 燃 燒 可 分 為 軸 流 式 (Axial Flow)( 圖 3) 離 心 式 (Centrifugal Flow)( 圖 4) 混 合 式 (Mixed Flow)( 圖 5) 之 壓 縮 機 葉 片 其 壓 縮 機 之 壓 縮 比 是 壓 縮 機 葉 片 的 性 能 指 標, 意 指 氣 流 壓 力 於 壓 縮 後 與 壓 縮 前 之 比, 壓 縮 比 較 高 的 氣 渦 輪 機, 效 率 亦 較 高, 而 氣 流 在 壓 縮 過 程 中 溫 度 會 升 高, 且 壓 縮 比 過 高 反 而 是 不 好 的, 因 考 量 到 氣 渦 輪 所 能 承 受 的 溫 度 是 有 限 的, 所 以 壓 縮 機 效 率 不 會 超 過 100% 圖 3. 軸 流 式 (Axial Flow) 壓 縮 機 葉 片 (From SIEMENS STC-SR) 圖 4. 離 心 式 (Centrifugal Flow) 壓 縮 機 葉 片 (From TECT Power Co.) 圖 5. 混 合 式 (Mixed Flow) 壓 縮 機 葉 片 (From Erian A. Baskharone 2006) 燃 燒 室 功 能 : 將 壓 縮 後 的 氣 體 於 此 區 與 霧 化 油 滴 燃 料 混 合, 並 在 等 壓 之 下 點 火 燃 燒 產 生 熱 能, 而 推 動 渦 輪 段 渦 輪 葉 片 做 功 燃 燒 室 包 含 擴 壓 段 噴 嘴 點 火 器 燃 燒 筒 外 殼 等 組 成, 其 型 式 有 圓 筒 型 ( 圖 6) 環 罐 型 ( 圖 7) 環 型 ( 圖 8) 分 罐 型 ( 圖 9) 等 渦 輪 機 ( 渦 輪 段 ) 功 能 : 氣 渦 輪 機 之 渦 輪 葉 片 因 氣 流 流 過 時 產 生 作 用 力, 對 轉 子 葉 片 作 功 而 轉 動, 使 氣 流 的 能 量 轉 換 成 機 械 能 輸 出, 因 此 氣 流 在 通 過 渦 輪 後, 渦 輪 葉 片 受 到 高 溫 高 壓 氣 流 的 衝 擊, 為 了 提 高 燃 燒 溫 度 和 氣 渦 輪 機 效 率, 渦 輪 葉 片 需 承 受 高 溫 的 耐 熱 材 料 製 成, 然 後 於 葉 片 中 空 將 冷 氣 流 或 液 體 流 入 內 部, 於 葉 片 內 流 動 產 生 冷 卻 ; 亦 可 於 葉 片 表 面 上 設 計 許 多 氣 孔, 使 冷 流 體 覆 蓋 於 葉 片 上, 阻 絕 高 溫 直 接 衝 擊 葉 片, 以 達 到 保 護 的 效 果 可 分 為 軸 流 式 (Axial Flow)( 圖 10) 和 徑

3 向 式 (Radial Flow)( 圖 11) 混 合 式 (Mixed Flow)( 圖 12) 之 渦 輪 機 葉 片 渦 輪 機 效 率 不 會 超 過 100% 圖 6. 圓 筒 型 (Jet Aerospace) 圖 7. 環 罐 型 (From TM 5-685/NAVFAC MO-912) (From Liburdi Group of Companies) 圖 8. 環 狀 型 圖 9. 分 罐 型 圖 10. 軸 流 式 (Axial Flow) 渦 輪 機 葉 片 (GKN AEROSPACE ENGINE SYSTEMS) 圖 11. 徑 向 式 (Radial Flow) 渦 輪 機 葉 片 圖 12. 混 合 式 (Mixed Flow) 渦 輪 機 葉 片 3. 歷 史 文 獻 探 究 從 西 元 前 120 年 起 由 Hero of Alexandria 發 展 出 史 上 第 一 具 反 動 式 蒸 汽 渦 輪 機 [1], 如 圖 13 所 示 其 型 式 是 一 中 空 球 體, 可 在 固 定 之 中 空 耳 軸 上 自 由 轉 動, 中 空 耳 軸 是 與 一 鍋 釜 或 鍋 爐 相 連 接, 在 鍋 釜 內 所 產 生 的 蒸 汽 進 入 中 空 球 體 內, 由 球 體 上 兩 個 噴 嘴 噴 出 方 向 與 球 面 相 切, 噴 嘴 的 位 置 是 在 轉 動 軸 之 垂 直 平 面 上, 兩 噴 嘴 指 向 相 反 之 方 向, 而 產 生 反 動 力 使 球 體 轉 動 後 續 又 發 展 出 風 力 動 力 機 構 [1], 如 圖 14 所 示

4 圖 13.Heron's 反 動 式 蒸 汽 渦 輪 機 [1] 圖 14.Hero's 風 力 動 力 機 構 [1] 西 元 1500 年 Leonardo da Vinci 曾 畫 草 圖 描 繪 因 烘 烤 物 品 使 熱 空 氣 沿 著 煙 囪 爬 升 而 驅 動 轉 盤 的 葉 片 旋 轉, 進 而 帶 動 齒 輪 旋 轉 聯 結 至 另 一 個 齒 輪 及 軸 機 構 轉 動, 使 皮 帶 帶 動 轉 盤 達 到 烘 烤 物 品 的 翻 轉 情 形, 如 圖 15 所 示 西 元 1629 年 Giovanni Branca 發 展 出 衝 動 式 蒸 汽 渦 輪 機, 如 圖 16 所 示 西 元 年 英 國 人 Thomas Savery 製 作 抽 水 機, 其 引 擎 可 將 4.5bar 至 8bar 之 間 的 高 壓 水 蒸 汽 直 接 噴 在 一 吸 水 室 的 水 面 上, 將 水 壓 入 水 管 排 出 西 元 1672 Ferdinand Verbiest 建 置 一 套 蒸 汽 噴 射 動 力 渦 輪 車 之 設 計 模 型, 如 圖 17 所 示 西 元 1791 John Barber 研 發 氣 渦 輪 機 設 計 模 型, 此 設 計 具 有 動 力 輸 出, 不 需 使 用 馬 力 運 作, 如 圖 18 所 示 [2] 西 元 1822 Baron Riche de Prony 發 明 了 Prony 指 示 制 動 式 之 動 力 計 對 於 後 來 渦 輪 機 械 之 測 試 有 很 大 的 幫 助, 如 圖 19 所 示 西 元 1872 Franz Stolze 設 計 一 具 氣 渦 輪 引 擎 雛 形, 只 是 沒 有 動 力 輸 出 的 功 效, 如 圖 20 所 示 西 元 1882~1890 Carl Gustav Patrik de Laval 應 用 一 種 細 腰 噴 嘴 在 單 級 衝 動 式 渦 輪 機 上, 且 是 第 一 具 商 用 渦 輪 約 有 5HP, 如 圖 21 所 示 [3] 圖 15.Leonardo da Vinci chimney jack 圖 16. 衝 動 式 蒸 汽 渦 輪 機 圖 17. 蒸 汽 噴 射 動 力 渦 輪 車 之 設 計 模 型 圖 18. John Barber 氣 渦 輪 機 設 計 模 型 [2]

5 圖 19. Prony 指 示 制 動 式 之 動 力 計 圖 20. Franz Stolze 設 計 氣 渦 輪 雛 形 圖 21. Karl Gustaf Patrik de Laval 細 腰 噴 嘴 單 級 衝 動 式 渦 輪 機 [3] 西 元 1885 C. E. A. Rateau 發 展 多 級 衝 動 式 渦 輪 機 原 理 西 元 1887 Charles Algernon Parsons 反 動 式 蒸 汽 渦 輪, 如 圖 22 所 示 西 元 1899 Charles Algernon Parsons 研 發 第 一 具 單 相 4kV 1MW 徑 向 流 發 電 機, 並 將 電 力 傳 輸 照 明 西 元 1899 Charles Gordon Curtis 提 出 複 速 衝 動 式 渦 輪 機 發 明 專 利 於 美 國 (Apparatus for generating mechanical power,patent No. US 635,919), 如 圖 24 所 示 圖 年 Parson's 反 動 式 蒸 汽 渦 輪 圖 年 Parsons' 第 一 具 單 相 4kV 1MW 渦 輪 發 電 機 圖 24. Charles Gordon Curtis 複 速 衝 動 式 渦 輪 機 發 明 專 利 圖 25. 氣 渦 輪 機 設 計 (Egidius Elling) 西 元 1900 Sanford Alexander Moss 提 出 一 份 氣 渦 輪 機 的 論 文, 並 於 1903 年 成 為 General Electric's 蒸 汽 渦 輪 部 門 的 工 程 師, 而 研 發 出 一 具 渦 輪 增 壓 器

6 西 元 1903 挪 威 人 Egidius Elling 建 立 一 座 旋 轉 之 壓 縮 機 和 氣 渦 輪 機 的 系 統, 並 產 生 11 HP, 如 圖 25 所 示 西 元 1906 Charles Algernon Parsons' 蒸 汽 渦 輪 機 首 先 應 用 於 船 艦 之 動 力, 如 圖 26 所 示 西 元 1906 Armengaud Lemale turbine engine in France with water-cooled combustion chamber. 西 元 1910 Holzwarth 完 成 150kW 衝 動 式 渦 輪 西 元 1920 年 代 A. A. Griffith 發 展 氣 流 通 過 機 翼 之 理 論 與 實 務, 並 於 1926 年 發 表 出 版 An Aerodynamic Theory of Turbine Design 於 1929 年 協 助 皇 家 航 空 建 置 空 氣 動 力 學 之 軸 流 式 葉 片 模 型 的 測 試 與 分 析 平 臺 研 究 西 元 1930: Frank Whittle 離 心 式 氣 渦 輪 機 專 利 設 計 於 噴 射 推 進 引 擎 的 應 用, 如 圖 27~ 圖 28 所 示. 西 元 1932 Brown, Boveri & Cie 於 瑞 士 開 始 針 對 於 壓 縮 機 和 渦 輪 機 在 渦 輪 增 壓 器 零 組 件 應 用 於 蒸 汽 產 生 之 Velox Boile, 如 圖 29 所 示 西 元 1934 Raúl Pateras de Pescara 發 展 氣 渦 輪 機 於 4 行 程 活 塞 引 擎 的 氣 發 電 機, 如 圖 30 所 示 西 元 1934 Dr. Hans von Ohain 和 Max Hahn 在 德 國 發 明 了 一 具 渦 輪 噴 射 引 擎 的 原 型 設 計 專 利, 如 圖 31 所 示 西 元 1936 Whittle 研 發 動 力 噴 射, 如 圖 32 所 示 西 元 1937 Henry Tizard 動 力 噴 射 引 擎 研 發 西 元 1946 Whittle 和 Hayne Constant's 合 力 一 起 建 置 國 家 氣 渦 輪 機 動 力 噴 射 與 RAE 氣 渦 輪 部 門 圖 26.Charles Algernon Parsons' 蒸 汽 渦 輪 機 應 用 於 船 艦 之 動 力 圖 27.The Gloster E.28/39, the first British aircraft to fly with a turbojet engine 圖 28. General Electric J31 渦 輪 噴 射 引 擎 圖 29.Brown, Boveri synchronous motor of 1901 in the Électropolis museum of Mulhouse, France

7 圖 30.Pescara helicopter 4S (1931) 圖 31.Dr. Hans von Ohain 和 Max Hahn 渦 輪 噴 射 引 擎 的 原 型 設 計 圖 32.The Power Jets W.2/700 engine flew in the Gloster E.28/39 西 元 1968 通 用 電 氣 (General Electric,GE) 公 司 開 發 出 高 性 能 高 旁 通 比 TF39 渦 輪 風 扇 (Turbofan) 發 動 機, 後 續 至 迄 今 又 開 發 出 CFM56 系 列 之 渦 輪 風 扇 發 動 機, 如 圖 33 所 示 圖 33.GE CFM56-6 渦 輪 風 扇 發 動 機 [ [ 西 元 1969 協 和 號 (Concorde) 超 音 速 客 機 誕 生 了, 使 用 Rolls Royce Olympus 593 MK 610 型 有 後 燃 器 之 渦 輪 噴 射 發 動 機, 如 圖 34 所 示 圖 34.Concorde 超 音 速 客 機 和 Rolls Royce Olympus 593 MK 610 型 發 動 機 [

8 從 西 元 2013 至 未 來 年 代, 全 世 界 氣 渦 輪 機 的 走 向 和 發 展 已 往 新 型 省 油 製 作 方 便 微 型 化 等 持 續 做 開 發 和 造 福 人 群 氣 渦 輪 分 類 上 是 屬 於 熱 機 的 一 種 發 動 機, 本 文 將 於 下 列 做 一 些 分 類, 主 要 還 是 以 軍 用 和 民 用 兩 方 面 為 主 4. 陸 地 (Land) 應 用 軍 用 以 坦 克 車 裝 甲 車 軍 用 卡 車 悍 馬 車 軍 用 渦 輪 發 電 機 等 等 渦 輪 機 圖 35. 美 國 M60 坦 克 車 配 置 雙 渦 輪 氣 冷 式 柴 油 引 擎 [From 圖 364. 義 大 利 人 馬 座 裝 甲 戰 鬥 車 (Centauro) 配 置 一 具 Iveco VTCA 6V 渦 輪 增 壓 器 [From 圖 噸 軍 用 卡 車 配 置 渦 輪 增 壓 器 ( 賓 士 款 式 ) 圖 38. 悍 馬 車 配 置 渦 輪 增 壓 器 ( 美 國 AMG 公 司 ) [From 汽 車 探 索 民 用 以 汽 車 火 車 機 車 貨 車 曳 引 車 預 拌 車 大 型 巴 士 公 車 賽 車 超 跑 等 等 渦 輪 機 圖 年 第 一 輛 掛 Turbo 設 計 汽 車 圖 年 SAAB 99 第 一 輛 渦 輪 增 壓 器 汽 車

9 圖 41. 臺 鐵 DRC 1000 型 柴 油 火 車 配 渦 輪 增 壓 [From 臺 灣 鐵 路 管 理 局 網 及 圖 42. 機 車 安 裝 渦 輪 增 壓 器 [KAWASAKI] 小 貨 車 大 貨 車 曳 引 車 預 拌 車 大 型 巴 士 公 車 圖 43. 大 型 客 貨 交 通 車 安 裝 渦 輪 增 壓 器 [From 和 泰 汽 車 股 份 有 限 公 司 網 頁 ] 圖 年 Honda RA163-E F1 賽 車 渦 輪 增 壓 器 引 擎 [ 陳 奕 宏 及 圖 45. 法 國 超 跑 BUGATTI Veyron 升 W16 四 渦 輪 引 擎 [From

10 圖 46. 世 界 上 唯 一 渦 輪 機 引 擎 推 動 的 蝙 蝠 車 [ 由 網 站 Casey Racing 的 Casey Putsch 先 生 所 製 造 的 5. 海 中 (Sea) 應 用 軍 用 以 潛 艦 艦 艇 航 空 母 艦 攻 擊 艦 兩 棲 裝 甲 車 等 等 渦 輪 機 民 用 以 漁 船 輪 船 快 艇 潮 汐 發 電 波 浪 發 電 洋 流 發 電 海 洋 溫 差 發 電 等 等 渦 輪 機 圖 47. 世 界 上 第 一 艘 核 動 力 潛 艇 - 美 國 鸚 鵡 螺 號 ( 具 有 蒸 氣 渦 輪 機 ) [From 圖 48. 英 國 42 型 驅 逐 艦 ( 具 有 燃 氣 渦 輪 機 ) [ 圖 49. 美 國 福 萊 斯 特 號 航 空 母 艦 ( 具 有 燃 氣 渦 輪 機 ) [ 圖 50. 法 國 西 北 風 級 兩 棲 攻 擊 艦 (Mistral) 配 置 動 力 渦 輪 [From 圖 51. 美 國 海 陸 EFV AAV7A1 兩 棲 裝 甲 車 配 置 渦 輪 增 壓 器 [From 圖 52. 挪 威 的 盾 牌 級 飛 彈 快 艇 Norwegian_missile_patrol_craft_KNM_Skjold _(P_690)_(2_Nov_2001).jpg 6. 空 中 (Air) 應 用

11 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 引 擎 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 大 型 飛 機 上 除 了 主 引 擎 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 引 擎 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 引 擎 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 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 軍 用 以 戰 闘 機 直 升 機 運 輸 機 預 警 雷 達 機 轟 炸 機 攔 截 機 火 箭 飛 彈 等 等 渦 輪 機 圖 53.F-35A 戰 闘 機 ( 左 ) 及 垂 直 舉 升 渦 輪 發 動 機 (F135/F136 型 後 燃 渦 輪 扇 發 動 機 ) [ 圖 54. 丹 麥 空 軍 S-61A 加 長 型 直 升 機 (T58-GE-10 渦 輪 軸 發 動 機 ) [ 圖 55. 美 國 C-130E 運 輸 機 (T56-A-1A 渦 輪 螺 旋 槳 發 動 機 ) [ g] 圖 56. 美 國 預 警 機 (CFM56 渦 輪 風 扇 發 動 機 ) [ 圖 57. 美 國 XB-70 轟 炸 機 (J93-GE 3 型 渦 輪 噴 射 發 動 機 ) [ North_American_XB-70_in_Flight_EC jpg] 圖 58. 美 國 環 球 之 鷹 無 人 飛 機 UAV (AE3007H 渦 輪 扇 葉 發 動 機 ) [ pg] 圖 59. 俄 羅 斯 空 軍 的 MiG 25 超 音 速 攔 截 機 / 偵 察 機 (R-15BD-300 渦 噴 發 動 機 ) [ pg]

12 圖 60.Viking 5C 火 箭 引 擎 [ g] 圖 61. 火 箭 發 動 機 [ pg] 民 用 以 大 型 民 航 客 機 中 小 型 客 機 民 用 直 升 機 太 空 梭 模 型 飛 機 教 練 機 等 等 渦 輪 機 圖 62.Airbus A380 客 機 ( 渦 輪 扇 發 動 機 ) [ y.jpg] 圖 63.Boeing B777F 及 GE90-115B 渦 輪 扇 發 動 機 世 界 最 高 推 力 達 127,900 磅 [ jpg] 圖 64.Boeing 787 系 列 超 長 程 中 型 客 機 [ 7-9.JPG] 圖 65.Sikorsky S-76 Spirit 中 型 商 用 直 升 機 [ 圖 66. 美 國 太 空 梭 [ ise.jpg] 圖 67.JetCat SPT5 Turboprop 模 型 飛 機 引 擎 [ 7. 工 業 (Industrial) 應 用 微 型 燃 氣 渦 輪 引 擎 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 及 生 物 氣 體. 另 外 一 大 好

13 處 是 可 以 用 氫 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 汽 電 共 生 Cogeneration (Combined Heat and Power,CHP) 為 一 種 工 業 製 程 技 巧, 利 用 發 電 後 的 廢 熱 用 於 工 業 製 造 或 是 利 用 工 業 製 造 的 廢 熱 發 電, 達 到 能 量 最 大 化 利 用 的 目 的 以 先 發 電 式 來 說 由 於 傳 統 發 電 機 效 率 只 有 30% 左 右, 高 達 70% 燃 料 能 量 被 轉 化 成 無 用 的 熱, 汽 電 共 生 能 再 利 用 30%-50% 的 熱 能 於 工 業, 使 燃 料 達 到 80% 效 率 而 後 發 電 系 統 用 的 本 來 就 是 各 種 工 業 機 具 的 廢 熱, 等 於 所 發 的 電 都 是 白 賺 的 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 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 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% 火 力 電 廠 水 力 電 廠 核 能 電 廠 風 力 發 電 汽 電 共 生 電 廠 CCHP 電 廠 SOFC/GT 電 廠 微 型 渦 輪 發 電 地 熱 發 電 等 等 渦 輪 機 渦 流 管 渦 輪 壓 縮 機 渦 輪 分 子 真 空 泵 浦 渦 輪 水 泵 通 風 空 調 渦 扇 廢 氣 排 風 扇 散 熱 風 扇 等 等 渦 輪 機 圖 68. 微 型 渦 輪 發 電 8. 民 生 (Livelihood) 應 用 牙 醫 手 機 微 水 流 發 電 機 微 水 流 緊 急 灑 水 器 微 水 流 照 明 微 型 氣 動 發 電 等 等 渦 輪 機

14 9. 微 型 化 (Micro) 應 用 美 國 MIT 從 1990 年 起 針 對 mm 或 μm 尺 寸 微 型 化 氣 渦 機 做 專 案 研 發, 首 先 由 由 航 太 教 授 Alan H. Epstein 帶 領 做 微 機 電 系 統 (MEMS) 的 氣 渦 輪 機 開 發 而 可 達 成 某 些 電 力 的 需 求 Alan H. Epstein 教 授 說 目 前 商 用 可 充 電 鋰 離 子 電 池 只 約 有 Wh/kg 能 量 比,MIT 的 mm 或 μm 尺 寸 微 型 氣 渦 機 可 達 Wh/kg 能 量, 有 極 大 希 望 不 久 的 將 來 可 完 成 Wh/kg 接 著 澳 洲 也 開 始 研 究 這 種 微 電 機 系 統 科 技 為 攜 帶 型 裝 置 供 電 的 可 能 性, 並 使 用 氫 或 丁 烷 為 燃 料 達 到 超 高 速 的 2,000,000 RPM 這 種 微 電 機 氣 渦 輪 機 引 擎 的 製 造 採 用 半 導 體 矽 晶 片 的 科 技 製 作, 在 接 上 發 電 機 以 提 供 電 力 10. 發 展 狀 況 氣 渦 輪 機 的 應 用 已 經 離 不 開 人 類 的 生 活 了, 從 天 上 飛 的 地 面 行 動 的 海 中 游 行 的 民 生 用 的 工 商 業 用 的 微 型 化 等 等 可 見 它 的 廣 泛 用 途 和 高 效 率 性 能 再 加 上 GE 從 1942 年 起 於 美 國 展 示 第 一 具 飛 機 渦 輪 噴 射 引 擎 時 至 迄 今,GE 已 成 為 全 球 領 先 之 引 擎 研 發 設 計 製 造 暨 服 務 提 供 商, 為 全 球 的 民 航 機 企 業 專 機 軍 用 飛 機 以 及 船 舶 等 眾 多 業 務, 提 供 發 動 機 產 品 與 頂 尖 的 航 空 技 術 平 均 每 兩 秒 鐘, 您 便 可 抬 頭 望 見 一 架 配 置 GE 的 CFM 引 擎 的 飛 機 起 飛, 在 全 球 的 天 際 翱 翔 當 然 後 續 也 出 現 了 兩 家 發 動 機 製 作 公 司 年 Pratt & Whitney 及 1960 年 起 Rolls Royce 相 繼 投 入 研 發 和 生 產, 使 得 全 世 界 發 動 機 的 研 發 步 上 快 速 精 進 的 腳 步, 更 帶 給 人 類 更 多 的 夢 想 起 飛 的 念 頭 11. 結 論 氣 渦 輪 機 一 詞 代 表 著 強 而 有 力 的 動 能, 再 加 上 高 效 率 性 能 可 想 讓 人 進 一 步 運 用 其 優 勢, 尤 其 航 空 界 的 使 用 渦 輪 後 帶 動 著 人 類 地 球 生 活 圈 拉 近 了, 想 到 哪 個 國 家 就 到 哪 個 國 家 旅 行, 快 速 省 時 又 方 便 對 於 救 人 救 急 搶 救 災 難 運 補 糧 食 真 是 缺 一 不 可 的 行 動 工 具 可 是 用 於 軍 事 武 力 則 是 可 怕 了, 對 於 戰 闘 攻 擊, 轟 炸 攻 擊, 破 壞 吹 毀 可 說 是 無 一 倖 免, 更 造 成 全 球 動 盪 不 安, 爭 得 你 死 我 活 用 於 工 商 民 生 業 更 是 利 器, 其 渦 輪 轉 子 高 效 率 高 轉 速 特 性 可 發 揮 其 功 效, 真 的 是 方 便 多 了 所 以, 氣 渦 輪 從 人 類 發 展 至 迄 今 已 有 四 五 百 多 年 歷 史, 已 帶 給 人 類 相 當 多 的 用 處, 將 來 想 必 可 以 更 佳 的 充 分 運 用 氣 渦 輪 組 件 於 工 商 民 生 生 活 裏, 無 時 無 刻 可 帶 來 新 的 技 術 與 發 展 12. 參 考 文 獻 向 世 彬, 熱 機 學 ( 下 ) 第 10 版 修 訂, 文 京 圖 書 有 限 公 司, 民 國 82 年 7 月 4. William W. Bathie, Fundamentals of Gas Turbine, Second Edition, Cyrus B. Meher-Homji, The Historical Evalutions of Turbomachinery, Proceedings of the 29 th Turbomachinery Symposium, pp , Ronald J Hunt CEng FIMechE FIDGTE, The History of the Industrial Gas Turbine (Part 1 The First Fifty Years ), the independent technical forum for power generation, PREPRINT - SUBJECT TO REVISION PUBLICATION 582.