淺談氣渦輪之應用與發展 陸、海、空web.it.nctu.edu.tw/~chingyao/aasrc-14.pdf ·...

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淺談氣渦輪之應用與發展-陸、海、空- 許智能 1* 、許立傑 2 1* 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 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()(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。

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    1* 2

    1* 2

    (Gas Turbine)(Gas Turbine Engine)(Combustion Turbine Engine)(Internal Combustion Engine) (Steam Turbine Engine) (External Combustion Engine)(Heat Cycle Engine) 120 2013

    CO HC 1.

    2.

    (Intake)(Compressor Blade)(Compression)()(Combustion Chambers)(Turbine Blade)(Exhaust Nozzle) () 1

    Brayton Cycle () Brayton Cycle 2

  • 1.()[1]

    2. Brayton Cycle ()( Brayton Cycle)[1]

    ()(Axial Flow)( 3)(Centrifugal Flow)( 4)(Mixed Flow)( 5)

    100%

    3.(Axial Flow)

    (From SIEMENS STC-SR)

    4.(Centrifugal Flow)(From

    TECT Power Co.)

    5.(Mixed Flow)(From Erian

    A. Baskharone 2006)

    ( 6)( 7)( 8)( 9) ()

    (Axial Flow)( 10)

  • (Radial Flow)( 11)(Mixed Flow)( 12) 100%

    6.(Jet Aerospace)

    7.

    (From TM 5-685/NAVFAC MO-912) (From Liburdi Group of Companies)

    8.

    9.

    10.(Axial Flow)

    (GKN AEROSPACE ENGINE

    SYSTEMS)

    11.(Radial

    Flow)

    12.(Mixed

    Flow)

    3.

    120 Hero of Alexandria [1] 13

    [1] 14

  • 13.Heron's [1]

    14.Hero's [1]

    1500Leonardo da Vinci

    15 1629 Giovanni Branca 16 1650-1715 Thomas Savery 4.5bar 8bar 1672 Ferdinand Verbiest 17

    1791 John Barber 18 [2] 1822 Baron Riche de Prony Prony 19 1872 Franz Stolze 20 1882~1890 Carl Gustav Patrik de Laval 5HP 21 [3]

    15.Leonardo da Vinci chimney jack

    16.

    17.

    18. John Barber [2]

  • 19. Prony

    20. Franz Stolze

    21. Karl Gustaf Patrik de Laval [3]

    1885 C. E. A. Rateau 1887 Charles Algernon Parsons 22 1899 Charles Algernon Parsons 4kV 1MW 1899 Charles Gordon Curtis (Apparatus for generating mechanical powerPatent No. US 635,919) 24

    22. 1887 Parson's

    23. 1899 Parsons' 4kV

    1MW

    24. Charles Gordon Curtis 25.(Egidius Elling)

    1900 Sanford Alexander Moss 1903 General Electric's

  • 1903 Egidius Elling 11 HP 25 1906 Charles Algernon Parsons' 26 1906 Armengaud Lemale turbine engine in France with water-cooled combustion chamber. 1910 Holzwarth 150kW 1920 A. A. Griffith 1926 An Aerodynamic Theory of Turbine Design 1929 1930: Frank Whittle 27~ 28 . 1932 Brown, Boveri & Cie Velox Boile 29 1934 Ral Pateras de Pescara 4 30 1934 Dr. Hans von Ohain Max Hahn 31 1936 Whittle 32 1937 Henry Tizard 1946 Whittle Hayne Constant's RAE

    26.Charles Algernon Parsons'

    27.The Gloster E.28/39, the first British aircraft to fly with a turbojet

    engine

    28. General Electric J31

    29.Brown, Boveri synchronous motor of 1901 in the lectropolis museum of

    Mulhouse, France

  • 30.Pescara helicopter 4S (1931)

    31.Dr. Hans von Ohain Max Hahn

    32.The Power Jets W.2/700 engine flew in the Gloster E.28/39

    1968 (General ElectricGE) TF39 (Turbofan) CFM56 33

    33.GE CFM56-6

    [http://en.wikipedia.org/wiki/File:CF6-6_engine_cutaway.jpg] [http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ge_cf6_turbofan.jpg]

    1969 (Concorde) Rolls Royce Olympus 593 MK 610 34

    34.Concorde Rolls Royce Olympus 593 MK 610

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Olympus593.JPG]

  • 2013

    4.(Land)

    35. M60

    [From http://baike.baidu.com/view/48378.htm]

    364.(Centauro) Iveco VTCA 6V

    [From http://www.mdc.idv.tw/mdc/army/centauro.htm]

    37.12.5

    ()

    38.( AMG

    ) [From http://www.FeelCars.com]

    39.1976 Turbo

    40.1977 SAAB 99

  • 41. DRC 1000

    [From http://ff1073.pixnet.net/blog/post/30679714-drc1000]

    42.[KAWASAKI]

    43.[From ]

    44.1984 Honda RA163-E F1

    [2010.12.13 http://f1.u-car.com.tw/f1-newsdetail.asp?newsid=1573]

    45. BUGATTI Veyron - 8.0

    W16 [From http://www.auto-online.com.tw/news/17248]

  • 46.

    [ Casey Racing Casey Putsch http://chinese.engadget.com/tag/Turbine]

    5.(Sea)

    47.-

    () [From

    http://zh.wikipedia.org/wiki/File:SS-571-Nautilus-trials.gif]

    48. 42 (

    ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:B52ARAHercules.jpg]

    49.

    () [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:USS_Forrestal.jpg]

    50.

    (Mistral) [From http://mypaper.pchome.com.tw/souj/post/1291750316]

    51.EFV AAV7A1

    [From http://mypaper.pchome.com.tw/souj/post/1291750316]

    52.

    http://zh.wikipedia.org/wiki/File: Norwegian_missile_patrol_craft_KNM_Skjold

    _(P_690)_(2_Nov_2001).jpg

    6.(Air)

  • ()

    (Auxiliary Power UnitAPU) APU APU

    53.F-35A ()(F135/F136 )

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:First_F-35A_on_taxiway_upon_arrival_at_new_home.jpg]

    54. S-61A

    (T58-GE-10 ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:050625-Kiel-x81-600.jpg]

    55. C-130E

    (T56-A-1A ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Lockheed_C-130_Hercules.jp

    g]

    56.

    (CFM56 ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Usaf.e3sentry.750pix.jpg]

    57. XB-70

    (J93-GE 3 ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:

    North_American_XB-70_in_Flight_EC68-2131.jpg]

    58. UAV

    (AE3007H ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Global_Hawk_-_ILA2002.j

    pg]

    59. MiG 25 /(R-15BD-300 )

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Russian_Air_Force_MiG-25.jpg]

  • 60.Viking 5C

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Viking_5C_rocketengine.jpg]

    61.

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:An_RL-10_engine_at_LSM.jpg]

    62.Airbus A380 (

    ) [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Airbus_A380_blue_sk

    y.jpg]

    63.Boeing B777FGE90-115B

    127,900 [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Boeing_777_Freighter_test_flight.

    jpg]

    64.Boeing 787

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Dreamliner_render_78

    7-9.JPG]

    65.Sikorsky S-76 Spirit

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Flying_Too_Low.jpg]

    66.

    [http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Space_Shuttle_Enterprise.jpg]

    67.JetCat SPT5 Turboprop

    [http://www.barnardmicrosystems.com/L4E_turbine.htm] 7.(Industrial)

    E85 .

  • Cogeneration (Combined Heat and PowerCHP)

    30% 70% 30%-50% 80%

    1950 RoverJET1

    2 ()

    [2]

    () 25% 35%() 80%

    CCHP SOFC/GT

    68.

    8.(Livelihood)

  • 9.(Micro) MIT 1990 mm m

    Alan H. Epstein (MEMS)Alan H. Epstein 120-150 Wh/kg MIT mm m 500-700 Wh/kg 1200-1500 Wh/kg

    2,000,000 RPM 10.

    GE 1942 GE

    GE CFM

    -1953 Pratt & Whitney 1960 Rolls Royce 11.

    12. 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Hero_of_Alexandria. 2. http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html. 3. () 10 82 7 4. William W. Bathie, Fundamentals of Gas Turbine, Second Edition, 1996. 5. Cyrus B. Meher-Homji, The Historical Evalutions of Turbomachinery,

    Proceedings of the 29th Turbomachinery Symposium, pp. 281-322, 2000. 6. Ronald J Hunt CEng FIMechE FIDGTE, The History of the Industrial Gas

    Turbine (Part 1 The First Fifty Years 1940-1990), the independent technical forum for power generation, PREPRINT - SUBJECT TO REVISION PUBLICATION 582.