燃气涡轮轴和螺桨发动机总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程

第1章概述 　　燃气涡轮轴发动机（简称涡轴发动机）、燃气涡轮螺桨发动机（简称涡桨发动机）均属于功率输出型的燃气涡轮发动机，压气机对来流空气进行压缩，进入燃烧室燃烧，燃烧室的燃气能量在涡轮中膨胀做功，除带动压气机工作外，还用来驱动负载（旋翼或螺旋桨）产生推进力。其中，涡轴发动机通过带动旋翼（和尾桨）而产生升力、推进力和控制力（矩），涡桨发动机则通过带动螺旋桨产生推进力。因此，与涡轮喷气/风扇发动机不同，涡轴发动机、涡桨发动机需要分别与直升机的旋翼系统、固定翼飞机的螺旋桨系统共同构成推进系统。 　　1.1燃气涡轮轴和螺桨发动机的作用和地位 　　燃气涡轮发动机作为现代固定翼飞机和直升机的主要动力装置，为飞行器提供推力或升力。其中涡轴发动机用作直升机动力，涡桨发动机用作固定翼飞机动力。 　　早期的直升机均采用航空活塞发动机。20世纪30年代，燃气涡轮发动机逐渐进入航空领域。涡轴发动机于20世纪50年代出现，此后获得了迅猛发展。凭借结构紧凑、单位体积（或质量）功率高、振动小等优势，迅速占领了除超轻型直升机以外的直升机动力市场，不断增大的功率输出能力也推动直升机由轻型发展至中、大型和重型。直升机拥有广阔的使用用途，可以克服地面车辆不便过河、水上船只不能登陆、固定翼飞机难以垂直起降、飞艇不灵活等缺点。军事方面，广泛用于执行对地攻击、侦察预警、空投机降、通信联络、垂直补给、扫雷反潜、搜索救援等多样化作战任务；民用方面，直升机广泛应用于公务飞行、医疗救护、应急救援、行政执法、森林防火、海上石油、农林作业、短途通勤和观光旅游等领域。 　　涡桨发动机是一种依靠螺旋桨产生的拉力（或推力）驱动飞机运动的航空动力装置。与涡扇发动机相比，具有中低速条件下耗油率更低的特点。据测算，涡桨发动机单位功率的耗油率比涡扇发动机低10%～20%，在同等载重和相同航程下，飞机油耗也相应低25%～35%。并且，配装涡桨发动机的飞机具有良好的机场适应性，能在土、砂石、草地等简易跑道上起降，而螺旋桨的滑流又可以大大改善飞机的起飞/着陆性能，缩短滑跑距离。因此涡桨发动机在中小型军民用运输机、支线客机、无人机等领域得到广泛应用，并仍在不断地向前发展。 　　根据国际预测公司Forecast International的预测，全球航空涡轴和涡桨发动机年均交付量会在4000台以上，交付价值50亿美元左右，虽不如大型商用喷气发动机的市场影响力大，但仍有举足轻重的地位。总地来说，发展先进的涡轴和涡桨发动机，既是推进军队装备现代化、信息化建设的战略需要，也是国民经济发展的客观需要。 　　1.2燃气涡轮轴和螺桨发动机的基本特点 　　1.2.1性能参数 　　涡轴和涡桨发动机的工作原理与涡喷、涡扇发动机基本相同，不同之处在于可用功的利用特点： 涡轴发动机涡轮出口的可用压力膨胀至外界压力以产生轴功率，在尾喷管仅有少量总压损失，尾喷管扩压后，出口气流速度较小，其动能基本可以忽略，涡轮产生功率一部分用于驱动压气机，另一部分用来输出带动负载。而涡桨发动机除了保证产生*大的轴功率之外，尾喷管出口燃气也具有一定的速度，因而也产生反作用力（又称剩余推力），剩余推力折合的功率占总功率的10%～15%。 　　表征涡轴和涡桨发动机主要性能参数有功率、耗油率、功重比、单位功率。 　　功率定义为1.1）式中，P为功率，单位为kW；n为输出轴转速，单位为r/min；Mkp为输出轴扭矩，单位为N m。 　　耗油率定义为（1.2）式中，sfc为耗油率，单位为kg/（kW h）；Wf为燃油流量，单位为kg/h。 　　功重比定义为Pmr=P/GE（1.3）式中，Pmr为功重比，单位为kW/kg；GE为发动机质量，单位为kg。 　　单位功率定义为PS=P/Wa（1.4）式中，PS为单位功率，单位为kW/（kg/s）；Wa为压气机进口空气流量，单位为kg/s。 　　涡桨发动机产生的剩余推力通常很小但又不能忽略，为了不单独计算这部分功率，一般引入当量功率的概念。在给定的飞行条件下，当量功率Pe为螺旋桨及喷射气流两者共同产生的推进功率。 　　当量功率定义为（1.5）式中，F为发动机产生的剩余推力；C0为飞行速度；η为螺旋桨效率。 　　在地面台架条件下，C0=0、螺旋桨效率η=0，发动机当量功率无法按公式（1.5）进行计算，为了确定涡桨发动机在地面台架状态工作时的当量功率，一般采用经验系数β表征涡桨发动机在地面台架工作时螺旋桨的轴功率与喷射气流产生的剩余推力之比，1kN的剩余推力相当于约60kW的螺旋桨轴功率。 　　由此可得发动机在地面台架状态工作时的当量功率为Pe=P+βF=P+60F（1.6）由式（1.6）计算涡桨发动机的当量功率后，就可以依照公式（1.2）、公式（1.4）相应计算当量耗油率、单位功率等参数。 　　涡轴和涡桨发动机的主要工作参数有压比、涡轮进口燃气温度、进口空气流量、部件效率等。其中压比和涡轮进口燃气温度是发动机的热力循环参数，两者有一定的匹配关系。随着设计、制造和材料技术等的发展，发动机的压比和涡轮进口燃气温度逐步提高，从20世纪50年代的压比不超过10、涡轮进口燃气温度不超过1200K发展为当前的压比25、涡轮进口燃气温度2000K左右。热力循环参数中，压比对发动机耗油率影响较大，对于追求经济性的民用发动机，一般选择较高的压比；涡轮进口燃气温度对发动机单位功率影响较大，对于追求小体积的军用发动机，一般选择较高的涡轮进口燃气温度。表征发动机性能先进性的另一个参数是部件效率，根据循环功理论，部件效率越高，则越接近理想循环，在相同的热力循环参数条件下，输出功率越高、耗油率越低。 　　1.2.2结构型式 　　1. 主要结构 　　涡轴和涡桨发动机的燃气发生器结构与其他类型燃气涡轮发动机基本相同，主要由压气机、燃烧室、燃气涡轮、附件传动装置、空气系统、滑油系统、燃油系统和电气系统等主要部件和系统组成。不同之处在于，涡轴发动机因自身需要而包含一些特有的部件，如输出功率的动力涡轮、带砂尘分离功能的粒子分离器和体内减速器等，涡桨发动机的特有部件是体内减速器。 　　按结构型式来对涡轴和涡桨发动机分类时，一般根据驱动功率输出轴的涡轮结构型式、燃气发生器转子数量以及功率输出轴方向、功率输出轴轴线位置的不同来划分。 　　按驱动功率输出轴的涡轮与驱动压气机的涡轮是否为同一转子，涡轴和涡桨发动机分为定轴式和自由涡轮式两种型式。定轴式涡轴（涡桨）发动机也称固定涡轮式涡轴（涡桨）发动机。定轴式涡轴（涡桨）发动机结构简单，调节简单，但起动性能差，输出转速高，与旋翼或螺旋桨匹配性较差。自由（动力）涡轮式涡轴（涡桨）发动机因输出功率的动力涡轮与驱动压气机的涡轮之间无机械联系，只有气动联系，结构相对复杂，调节难度高，但起动性能好，输出转速低，与旋翼或螺旋桨匹配良好，是目前常见的类型。 　　目前在役的涡轴发动机中，采用定轴式结构的已不多见，尚在服役的涡桨发动机中，仍有大量早期型号的涡桨发动机为定轴式结构。 　　按照燃气发生器转子的数量不同，自由涡轮式涡轴（涡桨）可进一步分为单转子燃气发生器、双转子燃气发生器两种型式。其中，单转子燃气发生器涡轴（涡桨）发动机居大多数，少数中、大功率的涡轴（涡桨）发动机采用双转子燃气发生器结构。 　　按功率输出的方向相对发动机进气方向的不同，自由涡轮式涡轴（涡桨）发动机可分为前输出轴式和后输出轴式。 　　按功率输出轴轴线的位置是否与燃气发生器转子轴心同心来分，自由涡轮式涡轴（涡桨）发动机则又分为同心式和偏置式。对于自由涡轮式涡轴（涡桨）发动机，通常有转子同心前输出轴式、转子偏置前输出轴式、转子同心后输出轴式以及转子偏置后输出轴式4种类型，其中双转子燃气发生器涡轮轴发动机多采用同心前输出轴式，而单转子燃气发生器涡轮轴发动机，目前也趋向于采用转子同心前输出轴式。对于自由涡轮式涡桨发动机，除同心式输出型式外，输出轴常采用偏置式减速器，以便与进气道进行匹配。 　　综上所述，按照结构型式的不同，涡轴、涡桨发动机的分类如表1.1、表1.2所示。 　　2．特有部件 　　粒子分离器是军用涡轴发动机常见的部件，用于净化进入压气机的空气。 直升机经常要贴地飞行，并且无固定和专用起降场地，低空及非专用起降场地中近地面的尘土、砂石等外物容易从进气道进入发动机内部，磨损压气机叶片等流道件，堵塞涡轮冷却孔等小孔通道。流道件的磨损将导致压气机、涡轮效率降低，进而引起发动机排气温度升高，功率下降，喘振裕度降低，加上冷却通道的堵塞，将使发动机寿命大大缩短，甚至损坏发动机。设置粒子分离器后，极大减少了各种异物进入发动机造成的损伤。图1.1给出了英国罗 罗