教材教法
應用於汽車燃氣渦輪上之陶瓷材料
王輔羊
為了想做出一個更為經濟且有效 的汽車用燃氣渦輪，陶瓷正被研究為 鎳鋁合金之可能的代替品。氮化矽和 碳化矽對於高溫渦輪引擎的構件有很 令人注目之性質，它顯示出低成本的 製造技術是有希望的，與此同樣重要 的，並且也一併在研究中的，就是對 於易碎材料之設計的技術改進工作。 在車輛之燃氣渦輪方面的研究改進已有許多年的處理經驗了。今天，
使用普通的燃燒系統和高溫情況下之 鎳鉛超合金的改良技術所做之渦輪引 擎，已取代一般的引擎應用在工業和 重型車輛上。然而，在小燃氣渦輪加 入廣大的汽車市場競爭前有三個主要 的問題須待解決，也就是:(1)過量的 氮氧化物的排放， (2) 在部分發電情況 下燃料的不經濟和 (3) 過多的引擎之原 始成本。 談到排放廢氣的問題，從普通的 燃氣渦輪產生的一氧化碳和未燃燒完 的碳氫化合物的標準，要合乎 1990 CAAA 美國聯邦政府的要求條件。為了 合乎氮氧他物的要求條件，新的渦輪 燃燒系統正在研究中。因為渦輪引擎 之燃燒是連續的，又因迄今為止，在 連續性燃燒系統之研究上提供了合理 1999 年 4 月 生活科技教育 32 卷第 4 期 的低度排放之可能性，促使我們著手 改良渦輪引擎。 解決另外兩個主要問題「燃料經 濟」和「成本」之關鍵是在所用的材 料。因為燃氣渦輪是一種熱機，故即 遭逢卡諾定律的問題，因此，其效率 將隨著尖峰循環溫度之增高而增高 O 所以有一種改善燃料使其經濟之法， 就是增加渦輪之進口溫度。溫度之增 加不但將增加每馬力燃料之消耗，且 將減少每馬力空氣之消耗 O 圖 1 即表示 出比燃料消耗對壓力比和典型回熱式 車輛的燃氣渦輪之進口溫度的圖形。 如在典型的壓力比為 4-6 之範圍內，且 渦輪之進口溫度從 1800°F 增至 2500°F 時，將增加比燃料消耗約近 20%以上。 圖 2 表示一個類似的比空氣消耗對 壓力比和渦輪進口溫度的圖形，在此 例中如渦輪進口溫度從 1800°F 增至 2500°F 時，將增加比空氣消耗約近 50% 。另一種說法即是對於相同尺寸之引擎，也就是在相同的氣流之下，最
大功率將接近兩倍。故增加渦輪之操 作溫度會發生很大的影響。 目前鎳鋁合金用於葉片不能冷卻 之小燃氣渦輪中，其最大渦輪進口氣 體溫度之極限為 1900°F 。以高溫陶瓷3。
教材敦法 (熱交換器效率)
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壓力比 國 l 典型車輛用燃氣渦輪引擎之比燃 料消耗對壓力比與渦輪進口溫度 圖。 (A) 為典型汽由引擎 (B) 為柴 油引擎 製品來取代超合金，顯示了克服此溫 度障礙之可能性。 也許應用燃氣渦輪於車輛之大量 製造上的最大障礙，就是引擎的製造 成本，這種障礙是以前所需的排放標 準能克服的。在一個如汽車這樣的大 量製造之產品，古其產品之為中很大 一部分的就是材料的成本，因此超合 金的使用就是一個問題。渦輪構件必 須用廉價原料以不昂貴的預製構件之 過程來製造，故為競爭之故，以低成 本之高溫陶瓷材料來取代鎳鉛超合金， 顯示了克服成本問題的可能性。 幾年以前，一項計畫已開始應用 陶瓷製品於燃氣渦輪的引擎上，同時 在 1971 年中，美國國防部的「高級研有~ .03~ \
(熱交換器效率)
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國 2 典型車輛用憔氣沖月輪引擎之比較 氣消耗對壓力比與渦輪進口溫度 圖 究計畫機構」已開始主動的加速此一工作了;他們坦白地承認 1 陶瓷在許
多軍事上和商業上的應用潛力。有一 公司和男一與之有轉訂契約的公司， 經由美國「陸軍材料與機械研究中心」 的訂定合同和管理下，加速了他們的 計畫，同時表明了小的和大的燃氣渦 輪與未經冷卻而在 2500°F 下的陶瓷溫 度之操作。這張合同不但已產生了加 速各公司計畫的進行效果，而且也使吾人產生了對於陶瓷材料的科學和技
術的一般基礎的認識。 此計畫不僅包含有材料和製作技 術，並延伸到陶瓷構件在設計上的結 合與使用。設計工程的廣大範圍與金 屬之使用幾乎完全有關。在另一方面，37
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教材教法 陶瓷製品代表一頓易碎材料，因此使 設計者產生了一項實際的挑戰。他必 須採取新的末曾嘗試過的手段。 應用陶瓷於燃氣渦輪之計畫上， 第一步是待用陶瓷材料之評估，它們 顯示出遇到熱霞、強度、侵蝕、沖蝕 抗力、低成本的可靠性和材料之特殊 要求。 超過 300 種材料和材料之變化被屏 除，以致須選擇氮化矽和碳化矽為材 料。對於這些材料的製作技術之研究 已在進行中。談到低成本和材料有效 性之必要，使我們對未來的遠景充滿 了希望。有些超合金，如以結為基礎 之材料，甚至貴過每磅 6 美元之譜，然 而陶瓷材料卻降到每磅不過多少美分 之計價範疇。矽、碳和氮之豐富增加 了如碳和矽及氮化矽之陶瓷材料的有
效性。。
其次，在實驗計畫中，陶瓷構件
被估計為在偽裝的渦輪引擎下，有些 似渦輪的陶瓷構件已被製成，同時在 2500°F 下試驗其性能。在這種情形下， 外部和內部的覆蓋物及部分翼葉是用 氮化矽作的，其他的翼葉則是用碳化 矽作的。這些零件都很成功地經得起 試驗。與這些陶瓷構件之試驗和材料 及製作過程之研究同時進行的，是陶 瓷的各種不同設計觀念中之研究燃氣 渦輪引擎之陶瓷部分的設計，特別是 如何安裝這些部分於金屬或其他陶瓷 部分上。 圖 3 表示一車輛之燃氣渦輪引擎的 構造，並明示其主要元件。帶動輻射 壓縮器的空氣被壓縮和引導入兩個再 生器的任一邊，於是被壓縮的熱空氣 充滿於加燃料和起燃燒的燃燒室中。 從壓縮器中壓出來的熱氣體然後由鼻 1999年4 月 生活科技教育 32 卷第 4期38
國 3 車輛用渦輪之構造國 錐進入渦輪層。而後氣體經過含有兩 個渦輪固定片的渦輪層，每一固定片 都有固定的螺旋槳翼葉指向每一對應 的渦輪迴轉軸。經過渦輪後，氣體膨 脹，同時產生能來驅動壓縮器和供給 可用的輸出功率。已膨脹的燃氣所排 出之氣體，經過了兩個保存燃料消耗 的再生器中之每一熱邊，輸送大量排 出的熱氣回復到壓縮空氣中。在目前 的燃氣渦輪中，附屬於尖峰循環溫度 和由超合金所製成的構件是燃燒器、 渦輪進口鼻錐、渦輪固定片和迴轉軸一 一這些是我們認為陶瓷所能應用得最 完善的地方。 最初大家都熱衷於設計、材料和固定構件的製作技術之研究改進。舉
個例子來說，由氮化矽之燒成作用所 製成的渦輪固定片和鼻錐，受到構件 和引擎的試驗時發生了設計、材料和 製作的問題。第一層渦輪固定片的翼 葉受到破壞，在基部的破壞起因於熱 震破壞，雖然所有翼葉並非受到相當 的損害，其中有些翼葉之破壞是機械 性的，可能由於熱破壞之擠壓，經過分析破壞和採取適當的方法後，第一 層固定片被重行設計，其中部分已製
作好了。
在陶瓷材料的所有構件中，渦輪 的輪子或迴轉是最具挑戰性的，因為 它的高旋轉速度，是受到高離心應力 之故。高的材料強度與低的材料密度 正合乎這些條件，因為從翼葉到中央 產生高溫梯度，中央部分受到高溫應 力。高材料強度和低膨脹有助於達到 要求的條件。這種構件的待用材料是 可熱壓的、完全緻密的氮化矽。 一個有趣的地方就是等熱壓技術 被人研究用來製作形狀複雜的渦輪迴 轉軸。在熱壓的汽缸中骰進適量的粉 末於預形內。隨後以熱壓操作將粉末 介質均句地壓入渦輪預形內。時間問 題與介質在高壓溫度和壓力下不具有 真實的液壓性質有關。 現在的努力目標是繼續研究固定 教材敦法 的陶瓷成分在引擎試驗下的耐久性， 和以完全緻密的陶瓷材料製作形將複 雜的渦輪迴轉軸的實用方法。應用低 成本而耐高溫的陶瓷於小的燃氣渦輪 上的成功，將對動力的產生和使用上 有很要的影響。參考書目
ParrN.
L.&
May
E.R.，“四氮化矽(Si3N4) 之鍵作用的技術與工程應",
Proc
Bri
t.
Ceram. Soc. 1967
McιLean， A.F.“應用於小的燃氣渦輪的 陶瓷" ， ASME 出版，
