渦輪發(fā)動機的原理-渦輪軸發(fā)動機

　　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，僅供網(wǎng)友參考。

　　渦輪軸發(fā)動機的誕生 渦輪軸發(fā)動機首次正式試飛是在1951年12月。作為直升機的新型動力，兼有噴氣發(fā)動機和螺旋槳發(fā)動機特點的渦輪軸令直升機的發(fā)展更進(jìn)一步。當(dāng)時渦輪軸發(fā)動機還劃入渦輪螺槳發(fā)動機一類。隨著直升機的普及和其先進(jìn)性能的體現(xiàn)，渦輪軸發(fā)動機逐漸被視為單獨的一種噴氣發(fā)動機。

　　在1950年時，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)渦輪軸發(fā)動機。該發(fā)動機只有一級離心式葉輪壓氣機，有兩級渦輪的輸出軸，功率達(dá)到了206千瓦(280軸馬力)，成為世界上第一臺實用的直升機渦輪軸發(fā)動機。首先裝用這種發(fā)動機的是美國貝爾直升機公司生產(chǎn)的Bell47(編號為XH-13F)，1954年該機首飛。到了50年代中期，渦輪軸發(fā)動機開始為直升機設(shè)計者所大量采用。

　　渦輪軸發(fā)動機的原理

　　渦輪軸發(fā)動機與渦輪螺旋槳發(fā)動機相似，曾經(jīng)被劃入同一分類。它們都由渦輪噴氣發(fā)動機演變而來，渦槳發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳，渦輪軸發(fā)動機則驅(qū)動直升機的旋翼軸獲得升力和氣動控制力。當(dāng)然渦輪軸發(fā)動機也有自己的特色：通常帶有自由渦輪，而其他形式的渦輪噴氣發(fā)動機一般沒有自由渦輪。

　　渦輪軸發(fā)動機具有渦輪噴氣發(fā)動機的大部分特點，也有著進(jìn)氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管等基本組件。其特有的自由渦輪位于燃燒室后方，高能燃?xì)鈱ψ杂蓽u輪作功，通過傳動軸、減速器等帶動直升機的旋翼旋轉(zhuǎn)，從而升空飛行。自由渦輪并不像其他渦輪那樣要帶動壓氣機，它專門用于輸出功率，類似于汽輪機。做功后排出的燃?xì)?，?jīng)尾噴管噴出，能量已經(jīng)不大，產(chǎn)生的推力很小，包含的推力大約僅占總推力的十分之一左右。因此，為了適應(yīng)直升機機體結(jié)構(gòu)的需要，渦輪軸發(fā)動機噴口可靈活安排，可以向上，向下或向兩側(cè)，而不一定要向后。盡管渦輪軸發(fā)動機內(nèi)，帶動壓氣機的燃?xì)獍l(fā)生器渦輪與自由渦輪并不機械互聯(lián)，但氣動上有著密切聯(lián)系。對這兩種渦輪，在氣體熱能分配上，需要隨飛行條件的改變而適當(dāng)調(diào)整，從而取得發(fā)動機性能與直升機旋翼性能的最優(yōu)組合。

　　參照渦輪風(fēng)扇發(fā)動機理論，渦輪軸發(fā)動機帶動的旋翼的直徑應(yīng)該越大越好。因為同一個的核心發(fā)動機，所配合的旋翼直徑越大，在旋翼上所產(chǎn)生的升力就越大。但能量轉(zhuǎn)換過程總是有損耗的，旋翼限于材料品質(zhì)也不可能太大，所以旋翼的直徑是有限制的。以目前的水平計算，旋翼驅(qū)動的空氣流量一般是渦輪軸發(fā)動機內(nèi)空氣流量的500到1000倍。

　　直升機飛得沒有固定翼飛機快，最大平飛速度通常在350千米/小時以下，因此渦輪軸發(fā)動機的進(jìn)氣口設(shè)計也較為靈活。通常把內(nèi)流進(jìn)氣道設(shè)計為收斂形，驅(qū)使氣流在收斂時加速流動，令流場更加均勻。進(jìn)口唇邊呈流線形，適合亞音速流線要求，避免氣流分離，保證壓氣機的穩(wěn)定工作。此外，由于直升機飛得離地面較近，一般必需去除進(jìn)氣中雜質(zhì)，通常都有粒子分離器。粒子分離器可以與進(jìn)氣道設(shè)計成一體。分離器設(shè)計為一定螺旋形狀，利用慣性力場，使進(jìn)氣中的砂粒因為質(zhì)量較大，在彎道處獲得較大的慣性力，被甩出主氣流之外，通過分流排出進(jìn)氣道之外。

　　盡管渦輪軸發(fā)動機排氣能量不高，但對于敵方紅外探測裝置來說仍然是相當(dāng)客觀的目標(biāo)。發(fā)動機排氣是直升機主要熱輻射源之一。作戰(zhàn)直升機必須減小自身熱輻射強度，要采用紅外抑制技術(shù)。一方面，要設(shè)法降低發(fā)動機外露熱部件的表面溫度，更重要的是，要將外界冷空氣引入并混合到高溫徘氣熱流中，從而降低溫度，沖淡二氧化氯的濃度，降低紅外特征。先進(jìn)的紅外抑制技術(shù)通常將排氣裝置、冷卻空氣道以及發(fā)動機的安裝位置作為完整、有效的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計制造。

　　我們知道，壓氣機包括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。渦輪軸發(fā)動機從純軸流式開始，發(fā)展了單級離心、雙級離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機，歷經(jīng)多次變革。目前渦輪軸發(fā)動機一般采用若干級軸流加一級離心構(gòu)成組合壓氣機，兼有兩者的優(yōu)點。國產(chǎn)渦軸-6、 渦軸-8發(fā)動機為1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)動機采用5級軸流加1級離心壓氣機。壓氣機部件主要包括進(jìn)氣導(dǎo)流器、壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機靜子及防喘裝置等。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。壓氣機靜子由壓氣機殼體和靜止葉片組成。轉(zhuǎn)子旋轉(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)子葉片后面的空氣壓強大于前面的壓強。氣流離開轉(zhuǎn)子葉片后，進(jìn)入起擴壓作用的靜子葉片。在靜子葉片的通道，空氣流速降低、壓強升高，得到進(jìn)一步壓縮。一個轉(zhuǎn)子加一個靜子稱為一級。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。