图解直升机原理

图解直升机原理之一－－－涡轮轴发动机工作原理航空涡轮轴发动机航空涡轮轴发动机，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，透博梅卡公司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公司生产的Bell 47(编号为X H—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3 50km/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，为压气机稳定工作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工作，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、工作较稳定。

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工作叶轮周围，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、不稳定工作状态。

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工作，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。

燃烧室的工作条件十分恶劣，由于气体流速很高(一般流速为5 0一100m／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；小部分空气进入火焰筒内与燃油喷嘴喷出(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。

工作时，先靠起动点火器点燃火焰筒内的混合气，正常工作时靠火焰筒内的燃气保持稳定燃烧。

由于燃烧室的零件工作在高温、高压下，工作中常出现翘曲、变形、裂纹、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。

按照燃气在燃烧室的流动路线，燃烧室可分为直流和回流式两种。

直流燃烧室形状细且长，燃气流动阻力小，回流燃烧室燃气路线回转，燃气流动阻力大，但可使发动机结构紧凑，缩短转于轴的长度，使发动机获得较大的整体刚度。

图2．2—34为国产祸轴8发动机的燃烧室，是介于以上两者之间的一种折流燃烧室，使燃气折流适应甩油盘甩出燃油的方向，以提高燃油雾化质量及燃烧室工作效率。

涡轮涡轮的作用是将高温、高压燃气热能转变为旋转运动的机械能。

它是涡抽发动机的主要机件之一，要求尺寸小、效率高。

涡轮通常由静止的导向叶片和转动的工作叶轮组成。

和压气机恰好相反，祸轮的导向叶片在前，工作叶片在后。

从燃烧室来的燃气，先经过导向叶片、由于叶片间收敛形通道的作用，提高速度、降低压强，燃气膨胀并以适当的角度冲击工作叶轮，使叶轮高速旋转。

现代涡轴发动机进入涡轮前的温度可高达1500℃，涡轮转速超过50000r／min。

由于涡轮工作时要承受巨大的离心力和热负荷，所以涡轮一般选用耐高温的高强度合金钢，此外，还要为祸轮的散热和轴承的润滑进行周密设计。

与一般涡轮喷气发动机不同，直升机用涡轴发动机的涡轮既要带动压气机转动，又要带动旋翼、尾桨工作。

现在大多数涡轴发动机将涡轮分为彼此无机械连接的前、后两段，见上图。

前段带动压气机工作，构成发动机的燃气发生器转子；后段作为动力轴，即自由涡轮，输出铀功率带动旋翼、尾桨等部件工作。

前、后两段虽不发生机械连接关系，却有着气体动力上的联系，可以使得燃气发生器涡轮与自由涡轮在气体热能分配上随飞行条件改变作适当调整，这样就能使涡轴发动机性能与直升机旋翼性能在较宽裕的范围内得到优化组。

排气装置根据涡轴发动机工作特点，一般排气装置呈圆筒扩散形，以便燃气在自由涡轮内充分膨胀作功，使燃气热能尽可能多地转化为轴功率。

现代涡轴发动机的排气装置能做到使95％以上的燃气可用膨胀功通过自由祸轮转变为轴功率，而余下不到5％的可用膨胀功仍以动能形式向后嚎出转变为推力。

发动机排气装置历排出的热流是直升机主要热辐射源之一，其热辐射的强度与排气热流、的温度和温度场的分布有关。

现代军用直升机为了在战场上防备敌方红外制导武器的攻击，减小自身热辐射强度，采用红外抑制技术。

该技术除设法降低发动机外露热部件的表面温度外，主要是将外界冷空气引入排气装置内，掺进高温徘气热流中，降低温度并冲淡徘气热流中所含二氧化氯的浓度，以降低红外信号源能量。

先进的红外抑制技术往往要将排气装置、冷却空气道以及发动机的安装位置通盘考虑，形成了一个完整、有效的红外抑制系统．(见下图)。

图解直升机原理之二－－－直升机的空气动力特点旋翼的空气动力特点(1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。

即使直升机的发动机空中停车时，驾驶员可通过操纵旋翼使其自转，仍可产生一定升力，减缓直升机下降趋势。

(2)产生向前的水平分力克服空气阻力使直升机前进，类似于飞机上推进器的作用(例如螺旋桨或喷气发动机)。

(3)产生其他分力及力矩对直升机；进行控制或机动飞行，类似于飞机上各操纵面的作用。

旋翼由数片桨叶及一个桨毂组成。

工作时，桨叶与空气作相对运动，产生空气动力；桨毂则是用来连接桨叶和旋翼轴，以转动旋翼。

桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。

旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不，因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外，还要绕旋翼轴旋转，因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。

先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况，它相当于飞机上螺旋桨的情况。

由于两者技术要求不同，旋翼的直径大且转速小；螺旋桨的直径小而转速大。

在分析、设计上就有所区别设一旋冀，桨叶片数为k，以恒定角速度Ω 绕轴旋转，并以速度Vo沿旋转轴作直线运动。

如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合，而半径为r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2，1—3)，并将这圆柱面展开成平面，就得到桨叶剖面。

既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动，对于叶剖面来说，应有用向速度(等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo)，而合速度是两者的矢量和。

显然可以看出(如图2．1—3)，用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面，他们的合速度是不同的：大小不同，方向也不相同。

如果再考虑到由于桨叶运动所激起的附加气流速度(诱导速度) )，那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加不同。

与机翼相比较，这就是桨叶工作条件复杂，对它的分析比较麻烦的原因所在。

旋翼拉力产生的滑流理论现以直升机处于垂直上升状态为例，应用滑流理论说明旋翼拉力产生的原因。

此时，将流过旋翼的空气，或正确地说，受到旋翼作用的气流，整个地看做一根光滑流管加以单独处理。

假设：空气是理想流体，没有粘性，也不可压缩；旋转着的旋冀是一个均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘)，流过桨盘的气流速度在桨盘处各点为一常数；气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影响)，在正常飞行中，滑流没有周期性的变化。

根据以上假设可以作出描述旋翼在：垂直上升状态下滑流的物理图像，如下图所示，图中选取三个滑流截面，So、S1和S2，在So面，气流速度就是直升机垂直上升速度Vo，压强为大气压Po，在S1的上面，气流速度增加到V1= Vo+v1，压强为P1上，在S1 的下面，由于流动是连续的，所以速度仍是V1，但压强有了突跃Pl下＞P1上，P1下一P1上即旋翼向上的拉力。

在S2面，气流速度继续增加至V2=Vo+v2，压强恢复到大气压强Po。

这里的v1是桨盘处的诱导速度。

v2是下游远处的诱导速度，也就是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。

对于这种现象，可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。

旋翼的锥体在前面的分析中，我们假定桨叶位：桨毂旋转平面内旋转。

实际上，目前的直升机都具水平铰。

旋翼不旋转时，桨叶受垂直向下的本身重力的作用(如下图左)。

旋翼旋转时，每片叶上的作用力除自身重力外，还有空气动力和惯性离心力。

空气动力拉力向上的分(T)方向与重力相反，它绕水平铰构成的力矩，使桨叶上挥。