涡轴发动机原理

气动涡轴发动机

气动涡轴发动机，或者简称为涡铀发动机，是一种轴功率输出的涡喷发动机。首先由法国研制出涡轴发动机。在50年代早期，透博梅卡公司开发出了一款单旋转、轴功率为206kW(280hp)的直升机发动机，该发动机仅有一级离心式叶轮压气机和两级涡轮，其功率可达206kW(280hp)，被称为“阿都斯特-l”(Artouste-1)。第一批使用该引擎的直升机是美国贝尔直升机公司(编号XH—13F)制造的贝勒47,1954年首飞。

旋转式发动机的主要部件。

和普通航空喷气发动机一样，涡轴发动机也有五个主要部件，如进气装置，压气机，燃烧室，涡轮和排气装置，涡轴发动机的典型结构如下图所示。

入口设备。

直升飞机一般飞行速度不大，最大平飞速度在350km/h以下，因此，进气装置的内流进气道采用了收敛型结构，使得在收敛型结构中的气流可以加速流动，从而改善气流流场的不均匀性。进口唇部为光滑流线，符合亚音速流线要求，可避免在进口处突然折转气流，造成气流分离，为压气机稳定工作创造良好的进气环境。有些涡轴发动机把颗粒分离器和进气道设计为一体，组成了一种“多功能进气道”，以防止颗粒磨损机件或影响发动机的稳定工作，这种多功能进气道利用惯性力场，使含有颗粒的空气沿着某些几何形状的通道流动。因为沙子的质量比空气大，在弯道上使沙子获得更大的惯性力，沙子就会聚集起来与空气分离，排出机外(见下图)。

压缩机。

压缩机的主要作用是对从进气道进入发动机的空气进行压缩，从而提高空气压力，为燃烧创造有利条件。依据气体在压缩机中流动的特点，可分为轴流式和离心式两种。面积小，流量大的轴流式压气机；离心式结构简单，工作稳定。旋转式发动机的压气机，其结构形式几经演变，由纯轴流式、单级离心、双级离心到混合轴流式和离心的组合压气机。目前直升机涡轴发动机多采用三级轴流加一级离心式组合压气机组成。比如，国产涡轴6号、涡轴8号发动机组成的组合压气机是l级轴流加1级离心，而T700发动机在“黑鹰”直升机上的压气机是5级轴流加l级离心。压缩机的各部分主要由进气导流器、压气机转子、压气机静子和止喘器等组成。压气机转子为高速旋转组合件，轴流式转子叶片呈叶栅排列安装在工作叶轮周围，离心转子叶片在叶轮外部为辐射形，见下图。压缩机的静置由压缩机壳和静叶组成。在旋转过程中，通过旋翼强迫空气向后流动，不仅加速了空气的流动，还使空气受到压缩，旋翼后部的空气压力比前部大。空气从叶片流出后，进入叶片内，起扩压作用。当叶片处于静压状态时，气流速度下降，压强增加，进一步受到压缩。一转加上一静于叫做一级。测量压缩机压缩空气的程度，通常用压缩后与压缩前压强的比值，也就是增压比来表示。

压力比是评价压缩机性能的一个重要指标。现代化直升机安装的涡轴发动机，要求压气机的总增压比越来越高，有的已经将增压比提高到20，以便发动机获得最大的热效率和轴功率。

喘振是压缩机有害而不稳定的工作状态。在气缸喘振的过程中，空气流量、气压和速度都会发生骤变，甚至可能出现突然倒流现象。通常由于进气方向不合适而形成喘振，导致压气机叶片内气流分离和失速。喘振的结果，轻的会降低发动机的动力和经济性，重的会导致发动机机械损坏或使燃烧室停止工作、停止工作。为了防止发动机发生喘振，保证压气机平稳、可靠地工作，可在压气机前部设置变角导流片，或在压气机中间通道上设置排气装置。除设计发动机结构时应考虑防喘措施外，还要求在飞行中注意避免因操作不当而引起压气机的喘振。

火炉。

汽缸是发动机中燃油和空气混合燃烧的场所。燃烧室一般由外壳、火焰筒组成，进气口上还设置有燃油喷嘴，启动时使用的喷油点火器也安装在这里。火炉的工作条件非常恶劣，并且由于气体的流动速度非常高(一般在501100m/s之间)，在大风等强风中燃烧混合气体，保持燃烧的稳定性是至关重要的。为确保燃烧室的稳定燃烧，在结构设计中采取了气流分流、火焰稳定等措施(见图)。

由压缩机压缩的高压空气进入燃烧室，被火焰筒分为内外两股，大部分空气在火焰筒外部，沿外部通道向后流动，起到散热、降温的作用；少量空气进入火焰筒内部，与燃油喷嘴喷出(或甩油盘甩出)的燃油混合形成油气混合物，经燃烧后向后膨胀加速，再与外部渗入火焰筒内的冷空气混合，平均燃气温度高达1500℃，流速高达230m/s，高温、高速燃气从燃烧室后部喷出冲击涡轮装置。

作业时，先靠启动点火器点燃火焰筒内的混合气体，正常作业时，靠火焰筒内的气体稳定燃烧。因燃烧室部件工作在高温高压下，易产生翘曲、变形、开裂、过热烧穿等故障，因此，燃烧室选用了热强度高、热塑性好的耐高温合金材料。

根据燃烧室内气体流动的路径，燃烧室可以分为直流型和回流型。DC燃烧室形状细而长，燃气流阻小，回流燃烧室燃气流道回转时，燃气流阻大，但可使发动机结构紧凑，转轴长度缩短，使发动机具有更大的整体刚度。图2.2—34为国产8轴柴油机燃烧室，是介于上述两种燃烧室之间的折流式燃烧室，使燃气折流式与甩油盘甩油方向相适应，以改善燃油雾化质量和燃烧室工作效率。

涡轮机

涡轮机的作用是把高温高压的燃气热能转换成旋转机械能。作为涡抽式发动机的主要部件之一，尺寸小，效率高。涡轮机一般包括一个静止的导叶和一个正在转动的叶轮。与压缩机相反，祸轮的导叶在前，工作叶片在后。由燃烧室产生的气体，首先经过导叶，由于导叶之间的收敛性通道，提高速度，降低低压，气体膨胀，以合适的角度冲击工作叶轮，使叶轮高速旋转。在进入涡轮之前，现代涡轴发动机的温度可以达到1500℃，涡轮转速达到50000r/min以上。因工作时离心力大，热负荷大，故涡轮一般选用耐高温的高强度合金钢，此外，还需对旋轮散热及轴承润滑进行精心设计。

不像普通的涡轮喷气发动机，直升机的涡轮涡轴发动机既要带动压气机旋转，又要带动旋翼，尾桨等运转。大部分涡轴发动机把涡轮分成前后两个相互没有机械连接的部分，见上图。前节驱动压气机工作，构成发动机的气体发生器转子；后节作为动力轴，即自由涡轮，输出铀的能量，驱动旋翼，尾桨和其他部件。前后段虽无机械连接关系，但有气动连接关系，可使燃气发生器涡轮和自由涡轮在气体热能分配方面随飞行条件的变化而作适当调整，从而使涡轴发动机的性能与直升飞机的旋翼性能在较大范围内得到优化组合。

通风设备。

针对涡轴发动机的工作特点，采用圆筒扩散式排气装置，使气体在自由涡轮中充分膨胀作功，使气体热能尽可能多地转化为轴功率。现代化涡轴发动机的排气装置可以做到将95%以上的气体可用膨胀功通过自由翻转轮转换为轴功率，而其余不足5%的膨胀功仍然以动能的形式转换为推力而返回原位。直升飞机尾气热流是发动机排气量最大的热源之一，其热辐射强度与排气量、排气量和温度场的分布有关。为了对敌方红外制导武器进行有效防御，降低自身热辐射强度，现代军用直升机采用了红外抑制技术。除了试图降低发动机暴露热部件的表面温度外，这项技术主要是将外部冷空。