涡轮轴发动机概况
只想纯蠢的宅
【摘要】涡轮轴发动机作为有人及无人直升机的主要动力装置,在各类发动机中具有不可替代的地位。本文结合国外涡轴发动机的技术发展历程以及军用涡轴发动机的发展历程,介绍了几种典型军用涡轴发动机的性能特点及各国现役军用涡轴发动机的装备情况;分析并总结了涡轴发动机的工作原理技术特点，预测了涡轴发动机的有关技术趋势。
【关键词】涡轴发动机工作原理特点应用发展
1 引言
作为驱动直升机旋翼而产生升力和推进力的动力装置,可分为活塞式发动机和涡轮轴发动机。相对于活塞发动机来说,涡轴发动机功重比大、振动小、便于维修,且最大截面较小，可以大大提高直升机气动力性能。因此,从20世纪50年代开始,涡轴发动机逐步取代活塞发动机,成为直升机的主要动力装置。随着科技的发展和直升机动力的需求，涡轴发动机的研究与发展愈显重要。
2 涡轮轴发动机工作原理
涡轮轴发动机是航空燃气涡轮发动机中的一种。在核心机或燃气发生器后，加装一套涡轮，燃气在这后一涡轮（动力涡轮或低压涡轮）中膨胀，驱动它高速旋转并发出一定功率，动力轴穿过核心机转子，通过压气机前的减速器减速后由输出轴输出功率，就组成了涡轴发动机。以此涡轮轴发动机按有无自由涡轮（动力涡轮与核心机机械连接为一体）分为自由涡轮式和定轴式。但大体上涡轮轴发动机由进气装置、压气机、燃烧室、燃气发生器涡轮、动力涡轮（自由涡轮）、排气装置及体内减速器（因为其涡轮轴转速极高，需要设减速器来水平输出功率。）、附件传动装置等部件构成。
图1 涡轮轴发动机基本结构示意图
2.1 涡轮轴发动机特点
（1）定轴式涡轮轴发动
机（图2）具有功率传送方
便，结够简单等优点。但其
自身的起动性，加速性以及
需要大的减速器使它仅用于功率较小的发动机中。而自由涡轮式（图3）则起动性好，工作稳定，加速性和经济性好。但其结构比较复杂。
（2）由于直升机工作时会吹起大量空气和地面上的灰尘颗粒，会打坏叶片，堵塞冷却通道，这对发动机的工作极为不利。所以在涡轮轴发动机上会装上滤网、粒子分离装置等。
（3）在压气机方面，其结构形式几经演变，从纯轴流式、单级离心、双级离心到轴流与离心混装一起的组合式压气机。当前，直升机的涡轴发动机大多采用的是若干级轴流加一级离心所构成的组合压气机。例如，国产涡轴6、涡轴8（增压比8.0）发动机为l级轴流加1级离心构成的组合压气机；“黑鹰”直升机上的T700发动机（图4）其压气机为5级轴流加上l级离心。增压比是评估压气机性能的重要指标。现代直升机装用的涡轴发动机，要求压气机的总增压比越来越高，有的已使增压比达到20，以使发动机获取尽可能高的热效率和轴功率。美国于20世纪90
年代研制的新一代涡轮轴发动机T-800（图5）双级离心式压气机，其总增压比为14.1。
(4)燃烧室多为回流环形,高效的喷射和燃烧技术,采用耐高温材料和先进的冷却手段。T700的火焰筒采用气膜冷却和冲击冷却,RTM322的火焰筒头部采用分段气膜冷却,火焰筒内外环的冷却结构用薄板材料冲压焊接形成分段冷却气膜缝槽,并有热障涂层,火焰筒壁温低于850℃。T800的弯管外壁组件采用了全气膜发散冷却,内壁采用气膜缝槽冷却结构。
(5)采用新型单晶合金涡轮、粉末合金盘技术和新的叶片冷却技术,转子叶片带冠或整体式叶轮。T800和MTR390的燃气发生器涡轮分别采用了2级气冷单晶叶片和单级跨音速气冷叶片,涡轮进口温度达1600K。
(6)控制系统采用全权数字式电子控制系统( FADEC)。运用监控系统状态与故障诊断系统(EMS),能够自主进行决策和调整。应用先进的数字化通讯技术,使空中和地面EMS中心实现实时数据传输,提高发动机监测和诊断的实时性。依靠多变量控制技术,采用先进控制模式进行高效的发动机故障监控与诊断。
(7)使用先进的红外抑制器。美国AH-64“阿帕奇”直升机上安装的三个矩形引射器和红外散热片的抑制装置,比用冷却风扇相比,直升机重量减少182kg,红外信号只有无抑制装置红外信号的6%。在1991年的海湾战争中其立下了汗马功劳。
图2 定轴式涡轮轴发动机
图3 自由式涡轮轴发动机
2.2 涡轮轴发动机应用
随着涡轮轴发动机优异性能的体现，其基本上取代了活塞式发动机作为了直升机的动力装置。
1955年透博梅卡公司研制出第一台阿都斯特1型涡轮轴发动机装“云雀”II直升机后,从20世纪50年代中期开始，涡轮轴发动机产品和技术不断发展升级,至今已发展了4代。
第1代涡轮轴发动机是20世纪50年代研制,并于60年代开始服役,主要代表机型有阿都斯特、T53、宁巴斯等发动机。
第2代涡轮轴发动机是20世纪60年代研制的,主要代表机型有T63、T64、诺姆、赫耶C、TV2-117A和T53的改进型T53-L-703等发动机。
第3代涡轮轴发动机于20世纪70年代设计,于80年代投产。主要代表机型有法国透博梅卡公司研制的TM333、美国GE公司研制的T700-GE-701（图4）、俄罗斯克里莫夫设计局研制的TV3-117VM等发动机，分别装备AS322、UH-60A、AH-64A、米-24等。与前2代涡轴发动机相比,这代涡轴发动机,通过改进气动设计和材料,使转动部件的循环数大大增加;通过采用气冷涡轮叶片,使涡轮进口温度达到1100~1300℃。
第4代于80年代末开始研制,代表型号有美国的T800-LHT-800（图5）、英、法联合研制的RTM322、德法英联合研制的MTR390和俄罗斯的TVD1500,分别用于RAH-66、NH-90、EH-101、PAH-2/HAP和卡-52等。世界上最大的涡轮轴发动机是D-136,起飞功率达7500kW,应用于最大的直升机米-26。倾转旋翼机V-22以T406涡轮轴发动机为动力,打破常规旋翼机400km/h的飞行速度上限,最大速度可达638km/h。
在国产涡轮轴发动机方面，装备于直8直升机上的WZ6发动机，装于直9直升机上的WZ8发动机，装备国产涡轴-9发动机(1000KW级)的量产型武直-10等。
图4 T700发动机
图5 T800发动机
3 结语：涡轮轴发动机的发展
涡轮轴发动机作为直升机的动力,由于直升机的特点决定了其用途十分广泛。从某种意义上讲,在国民经济和社会公共事务中使用直升机,是个国家经济和技术发达的一种重要标志。从一定意义上讲,一个国家的军队中直升机(包括运输、侦察、武装直升机)装备的数量多少,是其战斗力强弱的一个重要标志。为了满足21世纪军用直升机的需求,世界上有关国家均在对现有涡轮轴发动机进行改进改型的同时,正在努力发展下一代涡轮轴发动机。未来涡轴发动机技术将进一步提升,发动机的增压比将达到20~30,涡轮进口温度达到1600~2000K,寿命普遍可超过6000小时，美国陆军“未来战斗系统”设想的重型直升机要求达25吨级,X2X3等新型直升机的发展和直升飞
车等组合飞行器的出现,同时为克服涡轮轴发动机和直升机传统的传动减速装置十分笨重，国外已开始研究喷气旋翼和翼尖喷气发动机及液压传动减速系统。未来，涡轮轴发动机将迎来一场革命。
PT6系列发动机是加拿大普惠公司的产品，包括涡桨和涡轴变种，是当前使用最为广泛的输出轴功率的航空发动机之一。在美国军用编号中，PT6的相应型号分别被命名为T74和T101。 与首台在1963年面世的450SHP轴马力的PT6A发动机相比，如今PT6发动机系列的功率增加了四倍，功重比提高了40%，燃油消耗率降低了20%。 据了解，PT6发动机已生产了52000多台，并被应用在130个不同领域，PT6发动机所在机队的飞行时间已累计多达3.9亿小时。在全球航空领域普遍进行的重要任务中都能找到PT6发动机，从救援工作到预定的客运服务，从货运服务到要客接送，从农业应用到军事飞行培训、从消防救火到搜救任务。PT6A发动机高可靠性也加速了20世纪80到90年代的单发涡桨飞机的发展。
PT6A 是涡桨发动机，PT6B 和PT6C 是涡轴发动机。PT6发动机的各变种及参数如下： PT6A http://www.pwc.ca/en/engines/pt6a PT6A 家族包括了一系列自由涡轮涡桨发动机，输出功率500-1940shp （433-1447 kW ） Thermodynamic Power Class* (ESHP***) Mechanical Power Class* (SHP) Propeller Speed (Max. RPM) Height** (Inches) Width** (Inches) Length** (Inches) PT6A 'Small' (A-11 to A-140) 600 to 1075 500 to 900 1,900 to 2,200 21 to 25 21.5 61.5 to 64 PT6A 'Medium' (A-41 to A-62) 1,000 to 1,400 850 to 1,050 1,700 to 2,000 22 19.5 66 to 72 PT6A 'Large' (A-64 to A-68) 1,400 to 1,900 700 to 1,700 1,700 to 2,000 22 19.5 69 to 75.5 The PT6A family is a series of free turbine turboprop engine providing 500 to 1,940shp (433 to 1,447 kW) Small
中国涡轴系列涡轴 8 资料来源：西北工业大学 涡轴 8 ： 用途军用 / 民用涡轴发动机 类型涡轮轴发动机 国家中国 厂商南方航空动力机械公司 生产现状批生产 装机对象 wz8 直 9 双发直升机 wz8a 直 9a 双发直升机 wz8d 直 11 军、民两用单发直升机 wz8e 直 9c 舰载反潜双发直升机 概述： 涡轴 8 是我国 2 ～ 4t 级直升机的动力装置， 1981 年中国航空技术进出口公司与法国透博梅卡公司 (tm) 签订了阿赫耶系列发动机生产专利转让合同，由南方航空动力机械公司按阿赫耶系列发动机全套设计、工艺、冶金和检测资料生产 wz8 系列涡轴发动机。 阿赫耶涡轴发动机系 70 年代研制的产品，它采用了许多新设计、新材料和新工艺。为了逐步掌握这
些新技术，南方航空动力机械公司对 wz8 系列发动机的研制分为两个阶段：第一阶段采用法国材料生产。先将 tm 公司生产的各单元体、排气段、连接件和法国产附件装配成整机，在经过法方检验合格的试车台上试车后交付出厂。然后，南方航空动力机械公司用法国材料生产 m01( 附件传动单元体 ) 、 m04( 自由涡轮单元体 ) 和 m05( 减速器单元体 )3 个单元体以及排气段、连接件和部分附件，与 tm 公司生产的 m02( 轴流压气机单元体 ) 和 m03( 燃气发生器单元体 ) 以及法国产附件组装成整机，经试车后交付。最后，用法国材料生产所有 5 个单元体、排气段、连接件和部分附件，与法国产其余附件组装成整机，并经 150h 持久试车后交付。第二阶段为国产化阶段。除了极少数零件之外，所有原材料、毛坯和成、附件均立足于国内来生产。在国产化过程中，新研制的 24 种金属材料、 64 种非金属材料及 60 种锻、铸毛坯均通过了国家级或其他级别的评审鉴定，绝大多数国产化成、附件已通过鉴定或设计定型，整机国产化率目前已达 91 ％。 国产化 wz8a 发动机按法方提出的考核大纲进行了 2000 个典型飞行循环的试车 (1000h) 及 7000 次低周疲劳试车；两台国产化发动机首飞 100h 后于 1992 年 11 月通过了由总参陆航局和航空航天工业部主持的鉴定，投入小批量生产。 在国产化 wz8a 发动机研制成功的基础上，南方航空动力机械公司根据 tm 公司提供的全套资料，按国产化的原则又研制了 wz8e 及 wz8d 两种型别的涡轴发动机，分别于 1994 年 7 月及 9 月通过了法方规定的 150h 持久试车考核，同时又在试验器上进行了有关的鉴定试验。 1994 年 9 月，该两型发动机通过了由中国航空工业总公司主持、分别有海军及总参陆航局参加的阶段性鉴定，预定于 1994 年年底装机首飞。 .
涡轮轴发动机概况 只想纯蠢的宅 【摘要】涡轮轴发动机作为有人及无人直升机的主要动力装置,在各类发动机中具有不可替代的地位。本文结合国外涡轴发动机的技术发展历程以及军用涡轴发动机的发展历程,介绍了几种典型军用涡轴发动机的性能特点及各国现役军用涡轴发动机的装备情况;分析并总结了涡轴发动机的工作原理技术特点，预测了涡轴发动机的有关技术趋势。 【关键词】涡轴发动机工作原理特点应用发展 1 引言 作为驱动直升机旋翼而产生升力和推进力的动力装置,可分为活塞式发动机和涡轮轴发动机。相对于活塞发动机来说,涡轴发动机功重比大、振动小、便于维修,且最大截面较小，可以大大提高直升机气动力性能。因此,从20世纪50年代开始,涡轴发动机逐步取代活塞发动机,成为直升机的主要动力装置。随着科技的发展和直升机动力的需求，涡轴发动机的研究与发展愈显重要。 2 涡轮轴发动机工作原理 涡轮轴发动机是航空燃气涡轮发动机中的一种。在核心机或燃气发生器后，加装一套涡轮，燃气在这后一涡轮（动力涡轮或低压涡轮）中膨胀，驱动它高速旋转并发出一定功率，动力轴穿过核心机转子，通过压气机前的减速器减速后由输出轴输出功率，就组成了涡轴发动机。以此涡轮轴发动机按有无自由涡轮（动力涡轮与核心机机械连接为一体）分为自由涡轮式和定轴式。但大体上涡轮轴发动机由进气装置、压气机、燃烧室、燃气发生器涡轮、动力涡轮（自由涡轮）、排气装置及体内减速器（因为其涡轮轴转速极高，需要设减速器来水平输出功率。）、附件传动装置等部件构成。 图1 涡轮轴发动机基本结构示意图 2.1 涡轮轴发动机特点 （1）定轴式涡轮轴发动 机（图2）具有功率传送方 便，结够简单等优点。但其 自身的起动性，加速性以及
活塞式发动机 活塞发动机很简单，原理就跟你汽车的发动机一样，空气和燃料在汽缸中燃烧、爆炸，燃气驱动活塞，活塞驱动曲轴，这样化学能就变成机械能了。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力。所以，作为飞机的动力装置时，发动机与螺旋桨是不能分割的。 由于汽缸在燃气排出后气压低过大气压，那么新鲜的空气会因为气压差而自然进入汽缸之中，这是自然吸气的活塞发动机。当然啦，还有机械增压或者废气涡轮增压的活塞发动机。 活塞发动机结构图 活塞发动机安排方式 （一）活塞式发动机的主要组成 主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。 气缸是混合气（汽油和空气）进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动。气缸头上装有点燃混合气的电火花塞（俗称电嘴），以及进、排气门。发动机工作时气缸温度很高，所以气缸外壁上有许多散热片，用以扩大散热面积。气缸在发动机壳体（机匣）上的排列形式多为星形或V形。常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气缸不等。在单缸容积相同的情况下，气缸数目越多发动机功率越大。活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。连杆用来连接活塞和曲轴。曲轴是发动机输出功率的部件。曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动而产生拉力。除此而外，曲轴还要带动一些附件（如各种油泵、发电机等）。气门机构用来控制进气门、排气门定时打开和关闭。 （二）活塞式发动机的工作原理 活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死点的距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
航空涡轮轴发动机简介 航空涡轮轴发动机,或简称为涡铀发动机,是一种输出轴功率的涡轮喷气发动机。法国是最先研制涡轴发动机的国家。50年代初,透博梅卡研制成一种只有一级离心式叶轮压气机、两级涡轮的单转于、输出轴功率的直升机用发动机,功率达到了206kW(280hp),成为世界上第一台直升机用航空涡轮轴发动机,定名为“阿都斯特—l”(Artouste—1)。首先装用这种发动机的直升机是美国贝尔直升
机生产的Bell47(编号为XH—13F),于1954年进行了首飞。 涡轴发动机的主要机件 与一般航空喷气发动机一样,涡轴发动机也有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气装置等五大机件,涡轴发动机典型结构如下图所示。 进气装置 由于直升机飞行速度不大,一般最大平飞速度
在350km/h以下,故进气装置的内流进气道采用收敛形,以便气流在收敛形进气道内作加速流动,以改善气流流场的不均匀性。进气装置进口唇边呈圆滑流线,适合亚音速流线要求,以避免气流在进口处突然方向折转,引起气流分离,为压气机稳定创造一个好的进气环境。有的涡轴发动机将粒子分离器与进气道设计成一体,构成“多功能进气道”,以防止砂粒进入发动机内部磨损机件或者影响发动机稳定,这种多功能进气道利用惯性力场,使含有砂粒的空气沿着一定几何形状的通道流动。由于 zbc6e 通用航空 https://www.doczj.com/doc/108614396.html,
砂粒质量较空气大,在弯道处使砂粒获得较大的惯性力,砂粒便聚集在一起并与空气分离,排出机外(见下图)。 压气机 压气机的主要作用是将从进气道进入发动机的空气加以压缩,提高气流的压强,为燃烧创造有利条件。根据压气机内气体流动的特点,可以分为轴流式和离心式两种。轴流式压气机,面积小、流量大;离心式结构简单、较稳定。涡轴发动机的压
提到涡桨与涡轴发动机，不得不先提到“燃气轮机”。燃气轮机，是“燃气涡轮轮机”的同义词。 某重型燃气轮机压气机 凡是有“涡”字的，就是“涡轮盘”（英文，turbine）的简称。一大半就是燃气的。哦还有另一样半啊？那就是“蒸汽轮机”(“蒸汽涡轮机”)。 “蒸汽轮机”和“燃气轮机”原理相同的地方就是都是高温气体推动涡轮盘运转，把热能转化为机械能。 “蒸汽轮机”的蒸汽，就是锅炉烧水产生的，由于要用蒸汽锅炉烧水重量大，所以只能用在火车，船舶，发电厂，在此就不多说了。 言归正传，回到“燃气轮机”，就是直接烧氧气和燃油的混合气体，用在飞机，船舶，发电厂，车辆。
使用蒸汽轮机的火车头 还有依据中国的相关行业习惯，“轮机”这个词，用在船舶和发电设备的那种巨型的“涡轮盘”（英文，turbine）。 而用在飞机上的“燃气轮机”，一般叫“燃气涡轮”(gas turbine)，包括:涡喷（turbojet），涡扇（turbofan），涡桨(turboprop)，涡轴（turboshaft）,桨扇发动机（Propfan），也自然是“燃气涡轮”的成员。 不多见的桨扇发动机
涡喷和涡扇发动机工作原理类似，主要区别是涡扇发动机是在涡喷发动机的压气机前再增加低压压气机，又称风扇，风扇由低压涡轮提供动力。 涡扇发动机工作原理图 下面我们主要谈涡桨和涡轴发动机。 航空涡轴发动机是一种以空气为作功工质的燃气涡轮发动机。它主要是靠输出功率带动负载工作的燃气涡轮发动机，能将动力涡轮有效功率的绝大部分(95%以上)通过输出轴带动负载。涡桨发动机是用燃气涡轮带动螺旋桨的燃气涡轮发动机。涡轴发动机有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气装置等五大机件。
航空涡轴发动机原理 航空涡轮轴发动机，或简称为涡铀发动机，是一种输出轴功率的涡轮喷气发动机。法国是最先研制涡轴发动机的国家。50年代初，透博梅卡研制成一种只有一级离心式叶轮压气机、两级涡轮的单转于、输出轴功率的直升机用发动机，功率达到了206kW(280hp)，成为世界上第一台直升机用航空涡轮轴发动机，定名为“阿都斯特—l”(Artouste —1)。首先装用这种发动机的直升机是美国贝尔直
升机生产的Bell47(编号为XH—13F)，于1954年进行了首飞。 涡轴发动机的主要机件 与一般航空喷气发动机一样，涡轴发动机也有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气装置等五大机件，涡轴发动机典型结构如下图所示。进气装置 由于直升机飞行速度不大，一般最大平飞速度
在350km/h以下，故进气装置的内流进气道采用收敛形，以便气流在收敛形进气道内作加速流动，以改善气流流场的不均匀性。进气装置进口唇边呈圆滑流线，适合亚音速流线要求，以避免气流在进口处突然方向折转，引起气流分离，为压气机稳定创造一个好的进气环境。有的涡轴发动机将粒子分离器与进气道设计成一体，构成“多功能进气道”，以防止砂粒进入发动机内部磨损机件或者影响发动机稳定，这种多功能进气道利用惯性力场，使含有砂粒的空气沿着一定几何形状的通道流动。由于 zbc6e 通用航空 https://www.doczj.com/doc/108614396.html,
砂粒质量较空气大，在弯道处使砂粒获得较大的惯性力，砂粒便聚集在一起并与空气分离，排出机外(见下图)。压气机 压气机的主要作用是将从进气道进入发动机的空气加以压缩，提高气流的压强，为燃烧创造有利条件。根据压气机内气体流动的特点，可以分为轴流式和离心式两种。轴流式压气机，面积小、流量大；离心式结构简单、较稳定。涡轴发动机的压气机，其结构形式几经演变，从纯轴流式、单级离