為何燃氣輪機不用於車輛、燃氣喙輪發動機能用於車輛的原因解析

紙風車靠什麼原理轉動

首先，由於路況、越野等工況條件，車輛的工作狀態都可能處在強烈振動、顛簸、傾斜、飛躍等狀態，所以車輛發動機就必須適應這種工況條件。

車輛發動機與燃氣喙輪發動機的結構原理圖如下圖：

車輛發動機與燃氣喙輪發動機的結構原理圖

燃氣輪機之所以不用作車輛發動機，主要有如下兩方面原因：

由於燃氣輪機是軸流式發動機，如果讀者對“軸流式”沒有直接概念，那就看看小孩玩具“紙風車”，它就是軸流式。所有渦輪（或透平）發動機的軸流式的原理就是小孩玩具“紙風車”原理。這種軸流式發動機工作時，整個渦輪的旋轉截面都充滿了燃氣，所以燃氣的平均做功效率不高，也就是參與做功的燃料比例不高，大量的氣流都從渦輪葉片間的間隙中漏走了，而且其規格（功率）越小，參與做功的燃料比例越小。因此燃氣輪機的規格不能太小，一般不能低於1MW，否則其熱效率極低，一般不會超過10%。而車輛發動機的功率一般都在幾十千瓦到幾百千瓦，就算重卡發動機也就1MW到2MW，仍然處在燃氣輪機的規格下限，其熱效率也不會高於15%。所以如果用燃氣輪機作為車輛發動機，則耗油量極大，無法接受。例如我們最熟悉的經濟型轎車，現在的耗油量約為每百公里6升油左右，如果用燃氣輪機，則耗油量將達到每百公里24升油以上。

由於燃氣輪機的渦輪存在兩個致命缺陷：受力狀態不完全符合牛頓第三定律、而且是非點對稱結構，所以穩定性極差，特別對外界的振動、顛簸、傾斜、飛躍等工況特別敏感。也有外國佬做過試驗，試執行過程，只要車輛稍許一振動、顛簸、傾斜、飛躍等就會發生：發動機不是熄火就是葉片刮碰、振動等，使發動機無法正常工作。

由於上述兩方面原因，所以車輛發動機才不得不用最古老（蒸汽機原理：發明於16世紀，改良完善於17世紀）、最落後的往復活塞式發動機（俗稱內燃機）。

燃氣喙輪發動機之所以可以用於車輛發動機，主要有如下兩方面優勢：

由於燃氣喙輪發動機是高速氣流切向衝擊喙輪的原理，如果讀者對這種高速氣流切向衝擊喙輪的原理沒有直觀概念，那就看看我們國家過去大量使用的水車原理，由透過斜水槽加速後的水流去切向衝擊水輪葉片。喙輪發動機用透過加速器加速的氣流去切向衝擊喙輪的喙齒，與水車原理是一致的。喙輪的這種切向受力完全符合牛頓第三定律，而且高速氣流集中在喙輪的外圓周處做功，洩漏率極低，做功效率極高，雖然也會因規格太小其熱效率有所降低，但最低也不會低於60%（幾個千瓦的喙輪發動機）。對於車輛發動機的幾十千瓦到2MW範圍內的喙輪發動機，其熱效率不會低於65%。所以如果用燃氣喙輪發動機作為車輛發動機，其耗油量至少比現在的往復活塞式發動機的耗油量降低30%到50%。

由於燃氣喙輪發動機的喙輪是圓周切向受力，完全符合牛頓第三定律，而且是點對稱結構，所以穩定性極高，無論外界的振動、顛簸、傾斜、飛躍等工況如何劇烈，只要駕駛員能承受，燃氣喙輪發動機都能適應。