航空渦輪軸發(fā)動機，或簡稱為渦鈾發(fā)動機，是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動機。法國是先研制渦軸發(fā)動機。50年代初，透博梅卡公司研制成一種只有一ji離心式葉輪壓氣機、兩級渦輪的單轉(zhuǎn)于、輸出軸功率的直升機用發(fā)動機，功率達到了206kW(280hp)，成為di一臺直升機用航空渦輪軸發(fā)動機，定名為“阿都斯特—l”(Artouste—1)。首先裝用這種發(fā)動機的直升機是美國貝爾直升機公司生產(chǎn)的Bell 47(編號為XH—13F)，于1954年進行了首飛。

 

渦軸發(fā)動機的主要機件

與一般航空噴氣發(fā)動機一樣，渦軸發(fā)動機也有進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪及排氣 裝置等五大機件，渦軸發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。

 

進氣裝置

由于直升機飛行速度不大，一般平飛速度在350km/h以下，　故進氣裝置的內(nèi)流進氣道采用收斂形，以便氣流在收斂形進氣道內(nèi)作加速流動，以改變氣流流場的不均勻性?！∵M氣裝置進口唇邊呈圓滑流線，適合亞音速流線要求，以避免氣流在進口處突然方向折轉(zhuǎn)，引起氣流分離，為壓氣機穩(wěn)定工作創(chuàng)造一個好的進氣環(huán)境。有的渦軸發(fā)動機將粒子分離器與進氣道設(shè)計成一體，構(gòu)成“多功能進氣道”，以防止砂 粒進入發(fā)動機內(nèi)部磨損機件或者影響發(fā)動機穩(wěn)定工作，這種多功能進氣道利用慣性力場，使含有砂粒的空氣沿著一定幾何形狀的通道流動。由于砂粒質(zhì)量較空氣大，在彎道處使砂粒獲得較大的慣性力，砂粒便聚集在一起并與空氣分離，排出機外(見下圖)。

壓氣機

壓氣機的主要作用是將從進氣道進入發(fā)動機的空氣加以壓縮，提高氣流的壓強，　為燃燒創(chuàng)造有利條件。根據(jù)壓氣機內(nèi)氣體流動的特點，可以分為軸流式和離心式兩種。軸流式壓氣機，面積小、流量大；離心式結(jié)構(gòu)簡單、工作較穩(wěn)定。渦軸發(fā)動機的壓氣機，其結(jié)構(gòu)形式幾經(jīng)演變， 從純軸流式、單級離心、雙級離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機。當(dāng)前，直升機的渦軸發(fā)動機大多采用的是若干級軸流加一ji離心所構(gòu)成的組合壓氣機。例如，國產(chǎn)渦軸6、 渦軸8發(fā)動機為l級軸流加1級離心構(gòu)成的組合壓氣機；“黑鷹”直升機上的T700發(fā)動機其壓氣機為5級軸流加上l級離心。壓氣機部件主要由進氣導(dǎo)流器、壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機靜子及防喘裝置等組成。壓氣機轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)的組合件，軸流式轉(zhuǎn)子葉片呈葉柵排列安裝在工作葉輪周圍，離心式轉(zhuǎn)子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部，見下圖。壓氣機靜于由壓氣機殼體和靜止葉片組成。轉(zhuǎn)于旋轉(zhuǎn)時，通過轉(zhuǎn)子葉片迫使空氣向后流動，不僅加速了空氣，而且使空氣受到壓 縮，轉(zhuǎn)于葉片后面的空氣壓強大于前面的壓強。氣流離開轉(zhuǎn)于葉片后，進入起擴壓作用的靜于葉片。在靜于葉片的通道、空氣流速減低，壓強升高，得到進一步壓縮。一個轉(zhuǎn)子加一個靜于稱為一ji。衡量空氣經(jīng)過壓氣機被壓縮的程度，常用壓縮后與壓縮前的壓強之比，即增壓比來表示。

增壓比是評估壓氣機性能的重要指標(biāo)?，F(xiàn)代直升機裝用的渦軸發(fā)動機，要求壓 氣機的總增壓比越來越高，有的已使增壓比達到20，以使發(fā)動機獲取盡可能高的熱效率和軸功率。

喘振是壓氣機的一種有害、不穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)壓氣機發(fā)生喘振時，空氣流量、空氣壓 力和速度發(fā)生驟變，甚至可能出現(xiàn)突然倒流現(xiàn)象。喘振的形成通常由于進氣方向不適，引起 壓氣機葉片中的氣流分離并失速。喘振的后果，輕者減低發(fā)動機功率和經(jīng)濟性，重者引起發(fā) 動機機械損傷或者使燃燒室熄火、停車。為防止發(fā)動機發(fā)生喘振，保證壓氣機穩(wěn)定可靠地工 作，可在壓氣機前面采用角度可變的導(dǎo)流片，也可在壓氣機中部通道處設(shè)置放氣裝置。除了在發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮采取防喘措施外，還要求飛行使用中注意避免因為操縱不當(dāng)致使 壓氣機發(fā)生喘振。

燃燒室

燃燒室是發(fā)動機內(nèi)燃油與空氣混合、燃燒的地方。燃燒室一般由外殼、火焰筒組成，氣 流進口處還設(shè)有燃油噴嘴，起動時用的噴油點火器也裝在這里。燃燒室的工作條件很惡劣，由于氣體流速很高(一般流速為50一100m／s之間)，混合氣燃燒如大風(fēng)中點火，因此保持燃燒穩(wěn)定很重要。為了保證穩(wěn)定燃燒，在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取氣流分流和火焰穩(wěn)定 等措施(見下圖)。

經(jīng)過壓氣機壓縮后的高壓空氣進入燃燒室，被火焰筒分成內(nèi)、外兩股，大部分空氣在火 焰筒外部，沿外部通道向后流動，起著散熱、降溫作用；小部分空氣進入火焰筒內(nèi)與燃油噴 嘴噴出(或者甩油盤甩出)的燃油混合形成油氣混合氣，經(jīng)點火燃燒成為燃氣，向后膨脹加速，　然后與外部滲入火焰筒內(nèi)的冷空氣摻合，燃氣溫度平均可達1500℃，流速可達230m／s，高溫、高速的燃氣從燃燒室后部噴出沖擊渦輪裝置。

工作時，先靠起動點火器點燃火焰筒內(nèi)的混合氣，正常工作時靠火焰筒內(nèi)的燃氣保持穩(wěn)定燃燒。由于燃燒室的零件工作在高溫、高壓下，工作中常出現(xiàn)翹曲、變形、裂紋、過熱燒穿等故障，為此燃燒室采用熱強度高、熱塑性好的耐高溫合金。圖片

按照燃氣在燃燒室的流動路線，燃燒室可分為直流和回流式兩種。直流燃燒室形狀細且長，燃氣流動阻力小，回流燃燒室燃氣路線回轉(zhuǎn)，燃氣流動阻力大，但可使發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，縮短轉(zhuǎn)于軸的長度，使發(fā)動機獲得較大的整體剛度。圖2．2—34為國產(chǎn)禍軸8發(fā)動機的 燃燒室，是介于以上兩者之間的一種折流燃燒室，使燃氣折流適應(yīng)甩油盤甩出燃油的方向， 以提高燃油霧化質(zhì)量及燃燒室工作效率。

 

渦輪

渦輪的作用是將高溫、高壓燃氣熱/能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的機械能。它是渦抽發(fā)動機的主要機件之一，要求尺寸小、效率高。渦輪通常由靜止的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)動的工作葉輪組成。和壓氣機恰好相反，禍輪的導(dǎo)向葉片在前，工作葉片在后。從燃燒室來的燃氣，先經(jīng)過導(dǎo)向葉片、由于葉片間收斂形通道的作用，提高速度、減低壓強，燃氣膨脹并以適當(dāng)?shù)慕嵌葲_擊工作葉輪，使葉輪高速旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)代渦軸發(fā)動機進入渦輪前的溫度可高達1500℃，渦輪轉(zhuǎn)速超 過50000r／min。由于渦輪工作時要承受超大的離心力和熱負荷，所以渦輪一般選用耐高溫的高強度合金鋼，此外，還要為禍輪的散熱和軸承的潤滑進行周密設(shè)計。

 

與一般渦輪噴氣發(fā)動機不同，直升機用渦軸發(fā)動機的渦輪既要帶動壓氣機轉(zhuǎn)動，又要帶 動旋翼、尾槳工作?，F(xiàn)在大多數(shù)渦軸發(fā)動機將渦輪分為彼此無機械連接的前、后兩段，見上圖。前段帶動壓氣機工作，構(gòu)成發(fā)動機的燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子；后段作為動力軸，即自由 渦輪，輸出鈾功率帶動旋翼、尾槳等部件工作。前、后兩段雖不發(fā)生機械連接關(guān)系，卻有著 氣體動力上的聯(lián)系，可以使得燃氣發(fā)生器渦輪與自由渦輪在氣體熱/能分配上隨飛行條件改變 作適當(dāng)調(diào)整，這樣就能使渦軸發(fā)動機性能與直升機旋翼性能在較寬裕的范圍內(nèi)得到優(yōu)化組。

排氣裝置

根據(jù)渦軸發(fā)動機工作特點，一般排氣裝置呈圓筒擴散形，以便燃氣在自由渦輪內(nèi)膨脹作功，使燃氣熱/能盡可能多地轉(zhuǎn)化為軸功率。現(xiàn)代渦軸發(fā)動機的排氣裝置能做到使95％ 以上的燃氣可用膨脹功通過自由禍輪轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功率，而余下不到5％的可用膨脹功仍以動能 形式向后嚎出轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?。發(fā)動機排氣裝置歷排出的熱流是直升機主要熱輻射源之一，其熱輻射的強度與排氣熱流、的溫度和溫度場的分布有關(guān)。現(xiàn)代軍用直升機為了在戰(zhàn)場上防備敵方紅外制導(dǎo)武器的攻擊，減小自身熱輻射強度，采用紅外抑/制技術(shù)。該技術(shù)除設(shè)法減低發(fā)動機外露熱部件的表面溫度外，主要是將外界冷空氣引入排氣裝置內(nèi)，摻進高溫徘氣熱流中，減低溫度并沖淡徘氣熱流中所含二氧化氯的濃度，以減低紅外信號源能/量。先進的紅外抑/制技術(shù)往往要將排氣裝置、冷卻空氣道以及發(fā)動機的安裝位置 通盤考慮，形成了一個完整紅外抑/制系統(tǒng)．(見下圖)。