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涡轮轴发动机 - 飞行原理

2015-10-05 21:18 编辑:空军世界 点击:
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核心提示: 涡轮轴发动机 首次正式试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力,兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轮轴令直升机的发展更进一步。当时涡轮轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现,涡轮轴发动机逐渐被视为单独的一种喷

涡轮轴发动机首次正式试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力,兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轮轴令直升机的发展更进一步。当时涡轮轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现,涡轮轴发动机逐渐被视为单独的一种喷气发动机。

在1950年时,透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)涡轮轴发动机。该发动机只有一级离心式叶轮压气机,有两级涡轮的输出轴,功率达到了206千瓦(280轴马力),成为世界上第一台实用的直升机涡轮轴发动机。首先装用这种发动机的是美国贝尔直升机公司生产的Bell47(编号为XH-13F),1954年该机首飞。到了50年代中期,涡轮轴发动机开始为直升机设计者所大量采用。
 

涡轮轴发动机剖视示意图

涡轮轴发动机

涡轮轴发动机的原理

涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机相似,曾经被划入同一分类。它们都由涡轮喷气发动机演变而来,涡桨发动机驱动螺旋桨,涡轮轴发动机则驱动直升机的旋翼轴获得升力和气动控制力。当然涡轮轴发动机也有自己的特色:通常带有自由涡轮,而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。

涡轮轴发动机具有涡轮喷气发动机的大部分特点,也有着进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等基本组件。其特有的自由涡轮位于燃烧室后方,高能燃气对自由涡轮作功,通过传动轴、减速器等带动直升机的旋翼旋转,从而升空飞行。自由涡轮并不像其他涡轮那样要带动压气机,它专门用于输出功率,类似于汽轮机。做功后排出的燃气,经尾喷管喷出,能量已经不大,产生的推力很小,包含的推力大约仅占总推力的十分之一左右。因此,为了适应直升机机体结构的需要,涡轮轴发动机喷口可灵活安排,可以向上,向下或向两侧,而不一定要向后。尽管涡轮轴发动机内,带动压气机的燃气发生器涡轮与自由涡轮并不机械互联,但气动上有着密切联系。对这两种涡轮,在气体热能分配上,需要随飞行条件的改变而适当调整,从而取得发动机性能与直升机旋翼性能的最优组合。

参照涡轮风扇发动机理论,涡轮轴发动机带动的旋翼的直径应该越大越好。因为同一个的核心发动机,所配合的旋翼直径越大,在旋翼上所产生的升力就越大。但能量转换过程总是有损耗的,旋翼限于材料品质也不可能太大,所以旋翼的直径是有限制的。以目前的水平计算,旋翼驱动的空气流量一般是涡轮轴发动机内空气流量的500到1000倍。

直升机飞得没有固定翼飞机快,最大平飞速度通常在350千米/小时以下,因此涡轮轴发动机的进气口设计也较为灵活。通常把内流进气道设计为收敛形,驱使气流在收敛时加速流动,令流场更加均匀。进口唇边呈流线形,适合亚音速流线要求,避免气流分离,保证压气机的稳定工作。此外,由于直升机飞得离地面较近,一般必需去除进气中杂质,通常都有粒子分离器。粒子分离器可以与进气道设计成一体。分离器设计为一定螺旋形状,利用惯性力场,使进气中的砂粒因为质量较大,在弯道处获得较大的惯性力,被甩出主气流之外,通过分流排出进气道之外。

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