航空渦輪軸發(fā)動機(jī)，或簡稱為渦鈾發(fā)動機(jī)，是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。法國是先研制渦軸發(fā)動機(jī)。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(jī)、兩級渦輪的單轉(zhuǎn)于、輸出軸功率的直升機(jī)用發(fā)動機(jī)，功率達(dá)到了206kW(280hp)，成為di一臺直升機(jī)用航空渦輪軸發(fā)動機(jī)，定名為“阿都斯特—l”(Artouste—1)。首先裝用這種發(fā)動機(jī)的直升機(jī)是美國貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的Bell 47(編號為XH—13F)，于1954年進(jìn)行了首飛。

 

渦軸發(fā)動機(jī)的主要機(jī)件

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

 

進(jìn)氣裝置

由于直升機(jī)飛行速度不大，一般平飛速度在350km/h以下，　故進(jìn)氣裝置的內(nèi)流進(jìn)氣道采用收斂形，以便氣流在收斂形進(jìn)氣道內(nèi)作加速流動，以改變氣流流場的不均勻性。　進(jìn)氣裝置進(jìn)口唇邊呈圓滑流線，適合亞音速流線要求，以避免氣流在進(jìn)口處突然方向折轉(zhuǎn)，引起氣流分離，為壓氣機(jī)穩(wěn)定工作創(chuàng)造一個好的進(jìn)氣環(huán)境。有的渦軸發(fā)動機(jī)將粒子分離器與進(jìn)氣道設(shè)計成一體，構(gòu)成“多功能進(jìn)氣道”，以防止砂 粒進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部磨損機(jī)件或者影響發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作，這種多功能進(jìn)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(jī)外(見下圖)。

壓氣機(jī)

壓氣機(jī)的主要作用是將從進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣加以壓縮，提高氣流的壓強(qiáng)，　為燃燒創(chuàng)造有利條件。根據(jù)壓氣機(jī)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(jī)，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(jī)的壓氣機(jī)，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(jī)。當(dāng)前，直升機(jī)的渦軸發(fā)動機(jī)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(jī)。例如，國產(chǎn)渦軸6、 渦軸8發(fā)動機(jī)為l級軸流加1級離心構(gòu)成的組合壓氣機(jī)；“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動機(jī)其壓氣機(jī)為5級軸流加上l級離心。壓氣機(jī)部件主要由進(jìn)氣導(dǎo)流器、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)靜子及防喘裝置等組成。壓氣機(jī)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(jī)靜于由壓氣機(jī)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(qiáng)大于前面的壓強(qiáng)。氣流離開轉(zhuǎn)于葉片后，進(jìn)入起擴(kuò)壓作用的靜于葉片。在靜于葉片的通道、空氣流速減低，壓強(qiáng)升高，得到進(jìn)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(jī)被壓縮的程度，常用壓縮后與壓縮前的壓強(qiáng)之比，即增壓比來表示。

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

喘振是壓氣機(jī)的一種有害、不穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)壓氣機(jī)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(jìn)氣方向不適，引起 壓氣機(jī)葉片中的氣流分離并失速。喘振的后果，輕者減低發(fā)動機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性，重者引起發(fā) 動機(jī)機(jī)械損傷或者使燃燒室熄火、停車。為防止發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振，保證壓氣機(jī)穩(wěn)定可靠地工 作，可在壓氣機(jī)前面采用角度可變的導(dǎo)流片，也可在壓氣機(jī)中部通道處設(shè)置放氣裝置。除了在發(fā)動機(jī)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(jī)發(fā)生喘振。

燃燒室

燃燒室是發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jī)壓縮后的高壓空氣進(jìn)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(jìn)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?xì)猓蚝笈蛎浖铀伲∪缓笈c外部滲入火焰筒內(nèi)的冷空氣摻合，燃?xì)鉁囟绕骄蛇_(dá)1500℃，流速可達(dá)230m／s，高溫、高速的燃?xì)鈴娜紵液蟛繃姵鰶_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?xì)獗３址€(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(qiáng)度高、熱塑性好的耐高溫合金。圖片

按照燃?xì)庠谌紵业牧鲃勇肪€，燃燒室可分為直流和回流式兩種。直流燃燒室形狀細(xì)且長，燃?xì)饬鲃幼枇π。亓魅紵胰細(xì)饴肪€回轉(zhuǎn)，燃?xì)饬鲃幼枇Υ螅墒拱l(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，縮短轉(zhuǎn)于軸的長度，使發(fā)動機(jī)獲得較大的整體剛度。圖2．2—34為國產(chǎn)禍軸8發(fā)動機(jī)的 燃燒室，是介于以上兩者之間的一種折流燃燒室，使燃?xì)庹哿鬟m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?xì)鉄?/span>/能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)械能。它是渦抽發(fā)動機(jī)的主要機(jī)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(jī)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?xì)猓冉?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(qiáng)，燃?xì)馀蛎洸⒁赃m當(dāng)?shù)慕嵌葲_擊工作葉輪，使葉輪高速旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)代渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)入渦輪前的溫度可高達(dá)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(fù)荷，所以渦輪一般選用耐高溫的高強(qiáng)度合金鋼，此外，還要為禍輪的散熱和軸承的潤滑進(jìn)行周密設(shè)計。

 

與一般渦輪噴氣發(fā)動機(jī)不同，直升機(jī)用渦軸發(fā)動機(jī)的渦輪既要帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動，又要帶 動旋翼、尾槳工作。現(xiàn)在大多數(shù)渦軸發(fā)動機(jī)將渦輪分為彼此無機(jī)械連接的前、后兩段，見上圖。前段帶動壓氣機(jī)工作，構(gòu)成發(fā)動機(jī)的燃?xì)獍l(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(jī)械連接關(guān)系，卻有著 氣體動力上的聯(lián)系，可以使得燃?xì)獍l(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(jī)性能與直升機(jī)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(jī)工作特點，一般排氣裝置呈圓筒擴(kuò)散形，以便燃?xì)庠谧杂蓽u輪內(nèi)膨脹作功，使燃?xì)鉄?/span>/能盡可能多地轉(zhuǎn)化為軸功率。現(xiàn)代渦軸發(fā)動機(jī)的排氣裝置能做到使95％ 以上的燃?xì)饪捎门蛎浌νㄟ^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Α０l(fā)動機(jī)排氣裝置歷排出的熱流是直升機(jī)主要熱輻射源之一，其熱輻射的強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度，采用紅外抑/制技術(shù)。該技術(shù)除設(shè)法減低發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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)。