1、第十章涡轮轴发动机第十章涡轮轴发动机概论概论 基本工作原理和主要参数基本工作原理和主要参数部件特点部件特点 涡轮轴发动机涡轮轴发动机 燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力燃气发生器后的燃气可用能全部用于驱动动力涡轮而不在喷管内膨胀产生推力涡轮而不在喷管内膨胀产生推力 动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机动力涡轮轴上输出的功率可以用来带动直升机的旋翼的旋翼和尾桨和尾桨第一节第一节 概论概论 涡轮轴发动机是直升机的动力装置。它的主要特点是燃涡轮轴发动机是直升机的动力装置。它的主要特点是燃气发生器后的燃气所具有的可用能量气发生器后的燃气所具有的可用能量，几乎全部通过涡，几乎全部通过涡轮轴输出
2、功率，带动直升机的旋翼和尾桨。轮轴输出功率，带动直升机的旋翼和尾桨。与活塞式发动机相比，主要的优点：与活塞式发动机相比，主要的优点：首先是重量轻，首先是重量轻，体积小。同样功率为体积小。同样功率为600kW左右的发动左右的发动机，它的重量还不到活塞式发动机的三分之一。大功率机，它的重量还不到活塞式发动机的三分之一。大功率的发动机，它们重量则悬殊更大，采用涡轮轴发动机则的发动机，它们重量则悬殊更大，采用涡轮轴发动机则更为利。更为利。其次是涡轮轴发动机其次是涡轮轴发动机 没有往复运动的机件，所以振动小，没有往复运动的机件，所以振动小，噪音小。但必须指出，在单位燃油消耗率方面，目前与噪音小。但必须指
3、出，在单位燃油消耗率方面，目前与 活塞式发动机相比，还有一定的差距。活塞式发动机相比，还有一定的差距。第二节第二节 基本工作原理和主要参数基本工作原理和主要参数 一、自由涡轮式发动机一、自由涡轮式发动机 燃气发生器其中带动压气机的涡轮叫做压气机涡燃气发生器其中带动压气机的涡轮叫做压气机涡轮。在压气机涡轮之后为动力轮。在压气机涡轮之后为动力 涡轮，如果与前面涡轮，如果与前面的涡轮在机械上没有联系，称为自由涡轮。的涡轮在机械上没有联系，称为自由涡轮。自由涡轮通过输出轴输出功率自由涡轮通过输出轴输出功率，经减速器经减速器(通常通常有体内减速器和主减速器有体内减速器和主减速器)以低转速和大扭矩带动以低
4、转速和大扭矩带动旋翼，小部分功率通过尾桨减速器带动尾桨。这旋翼，小部分功率通过尾桨减速器带动尾桨。这种形式的涡轮轴发动机有以下几方面的优点：种形式的涡轮轴发动机有以下几方面的优点：1研制比较方便，前后两个部件可分别进行，特别是研制比较方便，前后两个部件可分别进行，特别是采用现成的涡轮喷气发动机改型时，采用现成的涡轮喷气发动机改型时，更为有利；更为有利；2 起动时只要带动燃气发生器，所以所需要的起动机起动时只要带动燃气发生器，所以所需要的起动机功率较小；功率较小；3 自由涡轮的工作对燃气发生器工作的影响较少，燃自由涡轮的工作对燃气发生器工作的影响较少，燃气发生器的工作比较稳定；气发生器的工作比较
5、稳定；4 燃气发生器和旋翼以各自不同的转速工作，比较有燃气发生器和旋翼以各自不同的转速工作，比较有利于选择各自合适的转速；利于选择各自合适的转速；二、定轴式涡轮轴发动机二、定轴式涡轮轴发动机 多级涡轮作为一个整体向压气机和减速器轮多级涡轮作为一个整体向压气机和减速器轮 出功率，相对出功率，相对于自由涡轮工它具有以下优点：主要是便于作前输出轴的结于自由涡轮工它具有以下优点：主要是便于作前输出轴的结构上的安排。构上的安排。涡轮轴发动机与涡轮喷气发动机一样，主要的过程参数仍然涡轮轴发动机与涡轮喷气发动机一样，主要的过程参数仍然是涡轮前燃气温度和压是涡轮前燃气温度和压 气机增压比气机增压比K选涡轮轴发
6、动机不同选涡轮轴发动机不同于涡轮喷气发动机，主要有以下五个性能参数。于涡轮喷气发动机，主要有以下五个性能参数。1、发动机功率、发动机功率Ne2、单位功率、单位功率Ns3、功率重量比、功率重量比4、单位燃油消耗率、单位燃油消耗率5、发动机剩余推力、发动机剩余推力 发动机转子转速必需经过减速器减速后驱动旋翼。发动机转子转速必需经过减速器减速后驱动旋翼。直升机不同飞行状态所要求的不同功率可以通过直升机不同飞行状态所要求的不同功率可以通过改变旋翼转速和旋翼桨距实现。改变旋翼转速和旋翼桨距实现。旋翼桨叶尺寸很大，发动机转子转速必需经过减旋翼桨叶尺寸很大，发动机转子转速必需经过减速器减速后驱动旋翼。速器减
7、速后驱动旋翼。旋翼转速改变带来离心力的很大变化，希望旋翼旋翼转速改变带来离心力的很大变化，希望旋翼转速恒定，由自由涡轮来驱动旋翼将极为方便。转速恒定，由自由涡轮来驱动旋翼将极为方便。旋翼恒速即自由涡轮恒速，功率的改变则靠桨距旋翼恒速即自由涡轮恒速，功率的改变则靠桨距改变，相应改变燃气发生器转速实现。改变，相应改变燃气发生器转速实现。第三节第三节 部件特点部件特点 一、进气装置一、进气装置 直升机的飞行速度较低，压气机进口的流速总是直升机的飞行速度较低，压气机进口的流速总是大于飞行速度。所以进气系统为收敛管道的大于飞行速度。所以进气系统为收敛管道的 进气进气系统。直升机工作的环境，起飞和着陆一般
8、不在系统。直升机工作的环境，起飞和着陆一般不在专门的机场上，例如在沙漠、草原、专门的机场上，例如在沙漠、草原、高山等地都高山等地都有可能，发动机特别容易受到外物的侵袭。有可能，发动机特别容易受到外物的侵袭。二、压气机二、压气机 在小型涡轮轴发动机上采用单级离心或双级离心压在小型涡轮轴发动机上采用单级离心或双级离心压气机，除了在效率方面的考虑和离心式压气机，除了在效率方面的考虑和离心式压 气机所固气机所固有的工作比较稳定之外，还有三方面的优点值得提有的工作比较稳定之外，还有三方面的优点值得提出，一是结构简单，可降低制造出，一是结构简单，可降低制造 和维护成本；二是和维护成本；二是抗外特击伤的性能
9、比轴流式要好得多；三是与轴流抗外特击伤的性能比轴流式要好得多；三是与轴流式压气机叶片相比，抗式压气机叶片相比，抗 高频疲劳性能比较好，可延高频疲劳性能比较好，可延长使用寿命。长使用寿命。三、燃烧室三、燃烧室 对于小型涡轮轴发动机的燃烧室，主要存在以下两个问题：对于小型涡轮轴发动机的燃烧室，主要存在以下两个问题：一是供油量小，而喷嘴的出口孔一是供油量小，而喷嘴的出口孔 径和压降都不太小。这就径和压降都不太小。这就限制了喷嘴的数目，因而造成燃油分布不合要求，导致温度限制了喷嘴的数目，因而造成燃油分布不合要求，导致温度场极不场极不 均匀。为此，可采取通过发动机轴中心甩盘供油的均匀。为此，可采取通过发
10、动机轴中心甩盘供油的方式。方式。二是发动机的其他各部件尺寸按发动机功率的大小基本上可二是发动机的其他各部件尺寸按发动机功率的大小基本上可成比例的缩小，而考虑到燃烧完全成比例的缩小，而考虑到燃烧完全 的程度，燃料在燃烧室的程度，燃料在燃烧室中必须有一定的停留时间，这样，燃烧室的长度就不能成比中必须有一定的停留时间，这样，燃烧室的长度就不能成比例地缩短。由此而引起对燃烧室壁面冷却的负担和涡轮轴的例地缩短。由此而引起对燃烧室壁面冷却的负担和涡轮轴的长度增加，使刚性变差。为此常采用回流式的燃烧室。这种长度增加，使刚性变差。为此常采用回流式的燃烧室。这种结构还便于检查热部件工作的情况，对维护工结构还便于
11、检查热部件工作的情况，对维护工 作有利。作有利。四、涡轮四、涡轮 小型涡轴发动机的涡轮，与压气机相似，二次流动小型涡轴发动机的涡轮，与压气机相似，二次流动损失大，当前小型轴流式涡轮，主要的也损失大，当前小型轴流式涡轮，主要的也 是冷却问是冷却问题。高压级叶片尺寸小，而冷却流路的缝隙不可能题。高压级叶片尺寸小，而冷却流路的缝隙不可能按比例缩小，其结果使得占相当按比例缩小，其结果使得占相当 大比例的空气流量大比例的空气流量不能参加作功，用于冷却。这样会影响发动机方面不能参加作功，用于冷却。这样会影响发动机方面的性能。在这方面当前的性能。在这方面当前 努力的方向是在占一定比例努力的方向是在占一定比例
12、的冷却空气流量下，提高它的冷却效果，从而使涡的冷却空气流量下，提高它的冷却效果，从而使涡轮前燃气温度轮前燃气温度 有可能作进一步提高。有可能作进一步提高。五、排气喷管五、排气喷管 动力涡轮后的燃气一般仍然具有较高的流速，而静压动力涡轮后的燃气一般仍然具有较高的流速，而静压低于外界大气压。这是涡轮工作的需要低于外界大气压。这是涡轮工作的需要，可增加轴，可增加轴的输出功率。气流经过排气喷管，其静压提高，流的输出功率。气流经过排气喷管，其静压提高，流速速 降低，到喷管的出口时，降低，到喷管的出口时，在静压等于外界大气在静压等于外界大气压的条件下，以相当低的流速排出外界。所以，排压的条件下，以相当低的
13、流速排出外界。所以，排气喷管是起扩压的作气喷管是起扩压的作 用。减少喷管的扩压损失，也用。减少喷管的扩压损失，也就意味着力涡轮能获得更多的功。就意味着力涡轮能获得更多的功。六、减速器六、减速器 动力涡轮的转速较高，而旋翼的转速较低，相差近动力涡轮的转速较高，而旋翼的转速较低，相差近百倍，因而就要有减速器。由于减速比大百倍，因而就要有减速器。由于减速比大，要有多，要有多级减速，才能实现功率的传递。在结构上，通常分级减速，才能实现功率的传递。在结构上，通常分体内减速器和主减速器。前者被体内减速器和主减速器。前者被 认为是发动机的一认为是发动机的一个组成部件，后者被认为是独立于发动机的一个部个组成部
14、件，后者被认为是独立于发动机的一个部件。对于多发装置，则件。对于多发装置，则 多个发动机共同合用一个主多个发动机共同合用一个主减速器。对减速器，除了工作可靠之外，主要的要减速器。对减速器，除了工作可靠之外，主要的要求是重量轻和求是重量轻和 效率高。效率高。要求减轻减速器的重量要求减轻减速器的重量 非常重要的问题之一。非常重要的问题之一。七、调节规律七、调节规律1自由涡轮式自由涡轮式 对涡轮轴发动机最大工作状态的调节，如果采用燃对涡轮轴发动机最大工作状态的调节，如果采用燃气发生器转速气发生器转速N1作为被调参数，则可取作为被调参数，则可取 供油量供油量Gf作为调节作用量。作为调节作用量。供油量增
15、加，意味着涡轮前燃气温度增加，燃气发供油量增加，意味着涡轮前燃气温度增加，燃气发生器转速生器转速N1上升，这时候自由涡轮转速也相应上升。上升，这时候自由涡轮转速也相应上升。当旋翼的桨距角当旋翼的桨距角增大时，旋翼上的气动扭矩增加。增大时，旋翼上的气动扭矩增加。若要维持转速若要维持转速N2不不 变，则所需功率也要增大。变，则所需功率也要增大。实际情况，两个参数相互间是有牵连的。所以，一实际情况，两个参数相互间是有牵连的。所以，一般说一个调节作用量只能调节般说一个调节作用量只能调节 一个被调参数。一个被调参数。七、调节规律七、调节规律1自由涡轮式自由涡轮式 对涡轮轴发动机最大工作状态的调节，如果采
16、用燃气发生器对涡轮轴发动机最大工作状态的调节，如果采用燃气发生器转速转速N1作为被调参数，则可取作为被调参数，则可取 供油量供油量Gf作为调节作用量。作为调节作用量。供油量增加，意味着涡轮前燃气温度增加，燃气发生器转速供油量增加，意味着涡轮前燃气温度增加，燃气发生器转速N1上升，这时候自由涡轮转速也相应上升。当旋翼的桨距上升，这时候自由涡轮转速也相应上升。当旋翼的桨距角角增大时，旋翼上的气动扭矩增加。若要维持转速增大时，旋翼上的气动扭矩增加。若要维持转速N2不不 变，则所需功率也要增大。变，则所需功率也要增大。实际情况，两个参数相互间是有牵连的。所以，一般说一个实际情况，两个参数相互间是有牵连
17、的。所以，一般说一个调节作用量只能调节调节作用量只能调节 一个被调参数。一个被调参数。2定轴式定轴式 功率匹配：功率匹配：直升机大多采用多台发动机，它们驱动共同的旋翼。直升机大多采用多台发动机，它们驱动共同的旋翼。所以希望每台发动机的输出功率相同即功率匹配，这所以希望每台发动机的输出功率相同即功率匹配，这对直升机的强度是有利的。对直升机的强度是有利的。匹配最大原理：如果使用两台发动机，将两台发动机匹配最大原理：如果使用两台发动机，将两台发动机的扭矩做比较。输出扭矩大的发动机不做改变，输出的扭矩做比较。输出扭矩大的发动机不做改变，输出扭矩小的发动机将增加燃油流量，增大输出扭矩，直扭矩小的发动机将
18、增加燃油流量，增大输出扭矩，直到与扭矩大的发动机相等。这称为匹配最大原理，它到与扭矩大的发动机相等。这称为匹配最大原理，它可以防止扭矩负载分配回路将好的发动机功率减少去可以防止扭矩负载分配回路将好的发动机功率减少去匹配功率受到限制的发动机。匹配功率受到限制的发动机。为直升机提供动力的多台发动机输出扭矩相加，为直升机提供动力的多台发动机输出扭矩相加，并且与预定的扭矩限制值比较。如果总扭矩超并且与预定的扭矩限制值比较。如果总扭矩超限，将同时减少各台发动机的燃油流量减少输限，将同时减少各台发动机的燃油流量减少输出扭矩。出扭矩。自由涡轮（动力涡轮）转速调节器，始终保持自由涡轮（动力涡轮）转速调节器，始
19、终保持动力涡轮转速等于选的基准值，用于保持旋翼动力涡轮转速等于选的基准值，用于保持旋翼转速恒定。转速恒定。排气温度限制器保持涡轮温度不超限。排气温度限制器保持涡轮温度不超限。可用功率轴（功率杆）和负载要求轴（桨距杆）可用功率轴（功率杆）和负载要求轴（桨距杆）直升机有可用功率轴和负载要求轴，形式上类似于一直升机有可用功率轴和负载要求轴，形式上类似于一般发动机的功率杆和停车杆，但功能不同。般发动机的功率杆和停车杆，但功能不同。直升机的可用功率轴或者说功率杆给出燃气发生器可直升机的可用功率轴或者说功率杆给出燃气发生器可以提供的最大功率。以提供的最大功率。该杆控制启动、停车、燃气发生器转速等。该杆控制启动、停车、燃气发生器转速等。发动机的实际发出的功率则由负载要求轴即桨距杆确发动机的实际发出的功率则由负载要求轴即桨距杆确定。负载要求轴与总距调节相连。定。负载要求轴与总距调节相连。采用电子控制装置的发动机，旋翼恒速、负载分配、采用电子控制装置的发动机，旋翼恒速、负载分配、超温限制、超扭限制等功能易于实现，自动地精确调超温限制、超扭限制等功能易于实现，自动地精确调准保证旋翼转速下的功率要求。准保证旋翼转速下的功率要求。
