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航空涡轴发动机原理.pdf

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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 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 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 其压气机为5级轴流加上l级离心。压气机部件主 要由进气导流器、压气机转子、压气机静子及防喘 装置等组成。压气机转子是一个高速旋转的组合 件，轴流式转子叶片呈叶栅排列安装在叶轮周围， 离心式转子叶片则呈辐射形状铸在叶轮外部，见下 图。压气机静于由压气机壳体和静止叶片组成。转 于旋转时，通过转子叶片迫使空气向后流动，不仅 加速了空气，而且使空气受到压缩，转于叶片后面 的空气压强大于前面的压强。气流离开转于叶片 后，进入起扩压作用的静于叶片。在静于叶片的通 道、空气流速降低，压强升高，得到进一步压缩。 一个转子加一个静于称为一级。衡量空气经过压气 机被压缩的程度，常用压缩后与压缩前的压强之 比，即增压比来表示。 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。 喘振是压气机的一种有害、不稳定状态。当压 气机发生喘振时，空气流量、空气压力和速度发生 骤变，甚至可能出现突然倒流现象。喘振的形成通 常由于进气方向不适，引起压气机叶片中的气流分 离并失速。喘振的后果，轻者降低发动机功率和经 济性，重者引起发动机机械损伤或者使燃烧室熄 火、停车。为防止发动机发生喘振，保证压气机稳 定可靠地，可在压气机前面采用角度可变的导流 片，也可在压气机中部通道处设置放气装置。除了 在发动机结构设计时要考虑采取防喘措施外，还要 求飞行使用中注意避免因为操纵不当致使压气机 发生喘振。燃烧室 燃烧室是发动机内燃油与空气混合、燃烧的地 方。燃烧室一般由外壳、火焰筒组成，气流进口处 还设有燃油喷嘴，起动时用的喷油点火器也装在这 里。燃烧室的条件十分恶劣，由于气体流速很高(一 般流速为50一100m／s之间)，混合气燃烧如大风 中点火，因此保持燃烧稳定至关重要。为了保证稳 定燃烧，在燃烧室结构设计上采取气流分流和火焰 稳定等措施(见下图)。 经过压气机压缩后的高压空气进入燃烧室，被 火焰筒分成内、外两股，大部分空气在火焰筒外部， 沿外部通道向后流动，起着散热、降温作用；小部 (或者甩油盘 甩出)的燃油混合形成油气混合气，经点火燃烧成 为燃气，向后膨胀加速，然后与外部渗入火焰筒内 的冷空气掺合，燃气温度平均可达1500℃，流速 可达230m／s，高温、高速的燃气从燃烧室后部喷 出冲击涡轮装置。 时，先靠起动点火器点燃火焰筒内的混合气， 正常时靠火焰筒内的燃气保持稳定燃烧。由于燃烧 室的零件在高温、高压下，中常出现翘曲、变形、 过热烧穿等故障，为此燃烧室采用热强度高、 热塑性好的耐高温合金。