涡轴发动机概况

涡轮轴发动机概况

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【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