渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的原理-渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)

　　航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，或簡(jiǎn)稱(chēng)為渦鈾發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，僅供網(wǎng)友參考。

　　渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)首次正式試飛是在1951年12月。作為直升機(jī)的新型動(dòng)力，兼有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的渦輪軸令直升機(jī)的發(fā)展更進(jìn)一步。當(dāng)時(shí)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)還劃入渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)一類(lèi)。隨著直升機(jī)的普及和其先進(jìn)性能的體現(xiàn)，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸被視為單獨(dú)的一種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　在1950年時(shí)，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)只有一級(jí)離心式葉輪壓氣機(jī)，有兩級(jí)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(tái)實(shí)用的直升機(jī)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。首先裝用這種發(fā)動(dòng)機(jī)的是美國(guó)貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的Bell47(編號(hào)為XH-13F)，1954年該機(jī)首飛。到了50年代中期，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始為直升機(jī)設(shè)計(jì)者所大量采用。

　　渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的原理

　　渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相似，曾經(jīng)被劃入同一分類(lèi)。它們都由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)演變而來(lái)，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)則驅(qū)動(dòng)直升機(jī)的旋翼軸獲得升力和氣動(dòng)控制力。當(dāng)然渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一般沒(méi)有自由渦輪。

　　渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分特點(diǎn)，也有著進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、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?duì)自由渦輪作功，通過(guò)傳動(dòng)軸、減速器等帶動(dòng)直升機(jī)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(dòng)壓氣機(jī)，它專(zhuān)門(mén)用于輸出功率，類(lèi)似于汽輪機(jī)。做功后排出的燃?xì)?，?jīng)尾噴管?chē)姵?，能量已?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(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的需要，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)內(nèi)，帶動(dòng)壓氣機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器渦輪與自由渦輪并不機(jī)械互聯(lián)，但氣動(dòng)上有著密切聯(lián)系。對(duì)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(dòng)機(jī)性能與直升機(jī)旋翼性能的最優(yōu)組合。

　　參照渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)理論，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的旋翼的直徑應(yīng)該越大越好。因?yàn)橥粋€(gè)的核心發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guò)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(jì)算，旋翼驅(qū)動(dòng)的空氣流量一般是渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空氣流量的500到1000倍。

　　直升機(jī)飛得沒(méi)有固定翼飛機(jī)快，最大平飛速度通常在350千米/小時(shí)以下，因此渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)也較為靈活。通常把內(nèi)流進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為收斂形，驅(qū)使氣流在收斂時(shí)加速流動(dòng)，令流場(chǎng)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(jī)的穩(wěn)定工作。此外，由于直升機(jī)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(jì)成一體。分離器設(shè)計(jì)為一定螺旋形狀，利用慣性力場(chǎng)，使進(jìn)氣中的砂粒因?yàn)橘|(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(guò)分流排出進(jìn)氣道之外。

　　盡管渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量不高，但對(duì)于敵方紅外探測(cè)裝置來(lái)說(shuō)仍然是相當(dāng)客觀的目標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣是直升機(jī)主要熱輻射源之一。作戰(zhàn)直升機(jī)必須減小自身熱輻射強(qiáng)度，要采用紅外抑制技術(shù)。一方面，要設(shè)法降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的安裝位置作為完整、有效的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

　　我們知道，壓氣機(jī)包括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(jiǎn)單、工作較穩(wěn)定。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)從純軸流式開(kāi)始，發(fā)展了單級(jí)離心、雙級(jí)離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機(jī)，歷經(jīng)多次變革。目前渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用若干級(jí)軸流加一級(jí)離心構(gòu)成組合壓氣機(jī)，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)渦軸-6、 渦軸-8發(fā)動(dòng)機(jī)為1級(jí)軸流加1級(jí)離心構(gòu)成的組合壓氣機(jī);“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動(dòng)機(jī)采用5級(jí)軸流加1級(jí)離心壓氣機(jī)。壓氣機(jī)部件主要包括進(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。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)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?chē)?，離心式轉(zhuǎn)子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部。壓氣機(jī)靜子由壓氣機(jī)殼體和靜止葉片組成。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片迫使空氣向后流動(dòng)，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(qiáng)大于前面的壓強(qiáng)。氣流離開(kāi)轉(zhuǎn)子葉片后，進(jìn)入起擴(kuò)壓作用的靜子葉片。在靜子葉片的通道，空氣流速降低、壓強(qiáng)升高，得到進(jìn)一步壓縮。一個(gè)轉(zhuǎn)子加一個(gè)靜子稱(chēng)為一級(jí)。衡量空氣經(jīng)過(guò)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(lái)表示。