浅谈航空涡桨与涡轴发动机

提到涡桨与涡轴发动机，不得不先提到“燃气轮机”。燃气轮机，是“燃气涡轮轮机”的同义词。

某重型燃气轮机压气机

凡是有“涡”字的，就是“涡轮盘”（英文，turbine）的简称。一大半就是燃气的。哦还有另一样半啊？那就是“蒸汽轮机”(“蒸汽涡轮机”)。

“蒸汽轮机”和“燃气轮机”原理相同的地方就是都是高温气体推动涡轮盘运转，把热能转化为机械能。

“蒸汽轮机”的蒸汽，就是锅炉烧水产生的，由于要用蒸汽锅炉烧水重量大，所以只能用在火车，船舶，发电厂，在此就不多说了。

言归正传，回到“燃气轮机”，就是直接烧氧气和燃油的混合气体，用在飞机，船舶，发电厂，车辆。

使用蒸汽轮机的火车头

还有依据中国的相关行业习惯，“轮机”这个词，用在船舶和发电设备的那种巨型的“涡轮盘”（英文，turbine）。

而用在飞机上的“燃气轮机”，一般叫“燃气涡轮”(gas turbine)，包括:涡喷（turbojet），涡扇（turbofan），涡桨(turboprop)，涡轴（turboshaft）,桨扇发动机（Propfan），也自然是“燃气涡轮”的成员。

不多见的桨扇发动机

涡喷和涡扇发动机工作原理类似，主要区别是涡扇发动机是在涡喷发动机的压气机前再增加低压压气机，又称风扇，风扇由低压涡轮提供动力。

涡扇发动机工作原理图

下面我们主要谈涡桨和涡轴发动机。

航空涡轴发动机是一种以空气为作功工质的燃气涡轮发动机。它主要是靠输出功率带动负载工作的燃气涡轮发动机，能将动力涡轮有效功率的绝大部分(95%以上)通过输出轴带动负载。涡桨发动机是用燃气涡轮带动螺旋桨的燃气涡轮发动机。涡轴发动机有进气装置、压气机、燃烧室、涡轮及排气装置等五大机件。

涡桨发动机

涡桨和涡轴最本质的区别还是动力输出方式略有不同。涡桨由于用在固定翼飞机上，在设计时必须考虑桨叶叶尖速度问题，桨叶的叶尖速度不能过快，所以涡桨飞机对于螺旋桨的转速是有限制的。为什么螺旋桨的桨尖和旋翼的翼尖速度不能过快? 过快会导致飞行中叶

尖激波出现，从而加大旋翼和螺旋桨的气动阻力,降低其推进效率。但是一限制螺旋桨的转速，势必其螺旋桨对于飞机的拉力就会下降，因此涡桨发动机会保留一定的核心机推力，以弥补螺旋桨转速的限制导致的推力不足。也就是涡桨飞机的排气口(类似涡扇发动机的内涵道排气口)是有一定推力的，只不过这推力很小，只占到整个涡桨发

动机的5%，但这推力绝对不能忽略不计。涡桨发动机的推力由95%的螺旋桨拉力+5%的排气口燃气推力(内涵道推力)组成。

涡轴发动机

航空涡轮轴发动机，简称为涡轴发动机，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、两级涡轮的单转子、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)。

涡轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来,只不过后者将风扇变成了螺旋桨,而前者将风扇

变成了直升机的旋翼。除此之外,涡轴发动机也有自己的特点:它一般装有自由涡轮(即不带动压气机,专为输出功率用的涡轮),而且主要

用在直升机和垂直/短距起落飞机上。

涡轴发动机由于要应付飞行器的垂直起降，因此它必须把其燃烧室大部分的高温高压的燃气能量都得有效的转化成机械轴功率，所以涡轴发动机的废气是没什么推力可言的，可以说是小得忽略不计的。涡轴发动机的动力涡轮吸收燃烧室高温高压燃气从而转化成机械轴

功率的能力，是航发中效率最高的，因为这是垂直起降的需要。垂直起降状态对于发动机而言是最废油的，因此涡轴要想高效率的垂直起降，必须把高温高压的燃气最大限度的转化成机械轴功率。其实你也可以把涡轴看成一种超高功率重量比的,简单循环方式的燃气轮机。

涡轴发动机压气机有两种设计，一种是离合式，一种是轴流式，离

合式压气机优点结构简单、尺寸小、单级增压比较高，，但是离合式压气机缺点就是迎风面积大、风阻偏大、能够承受空气流量相对较小，相应就限制了发动机功率，一般认为采用离心式压气机的涡轴发动机功率很难超过1500KW，轴流式压气机优点就是迎风面积小、风阻小、可以承受较大流量空气，因此可以得到较大发动机功率，尤其是采用多级轴流式压气机，可以显著提高发动机增压比，不过轴流式压气机结构比较复杂，多级轴流式压气机长度较大，直升机内部布置比较困难，现代涡轴发动机压气机将两种压气机组合在一起，互相取长补短，利用多级轴流式压气机来提高发动机增压比，再结合离心式压气机减少发动机长度，以提高发动机性能。比如我国的直-10武装直升机上的涡轴-9压气机采用了3级轴流式加1级离心式设计，这样组合压气机优点可以得到较高增压比。

武直-10

从结构上来看，涡轴的减速器和发动机在结构上是分开的，涡桨则是连在一起的。早期的涡桨与涡轴发动机，都是单转子+减速器的结构，没有动力涡轮（自由涡轮）。所谓动力涡轮是本身不带压气机结构的涡轮，且不被核心机转子带动，单纯只被高温高压燃气带动的涡轮。

现在的涡轴与涡桨分两种结构：

第一种是单转子+自由涡轮+减速器的结构；

第二种是低压转子+高压转子+自由涡轮+减速器的结构。

带高压压气机的涡桨发动机

从压气机上讲，中等功率和低功率的涡桨和涡轴，在其压气机结构上会采用整体增压能力有限，但是单级增压比高且成本低廉的离心式

压气机，或是采用轴流+离心式的压气机组合方式，如装备于直九的涡轴8A发动机，增压比为8，功率596kW。

涡轴8f

高功率的涡桨和涡轴会采用全轴流式压气机的结构，如装备图-95的KuznetsovNK-12MV涡轮螺旋桨发动机，压缩比10.3，每具输出11,000kW。