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航空发动机结构形式和工作特点

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：对于涡轴涡桨发动机，其燃气发生器部分基本与涡喷涡扇的相同，工作机理也相同，主要区别是输出动力的形式，因而带来了不同的结构类型和工作特点。图1-10Astazuo14M定轴式涡桨/涡轴发动机1.3.1.2自由涡轮式自由涡轮式发动机由燃气发生器和自由涡轮组成，通过独立的自由涡轮输出轴功率。

对于涡轴涡桨发动机，其燃气发生器部分基本与涡喷涡扇的相同，工作机理也相同，主要区别是输出动力的形式，因而带来了不同的结构类型和工作特点。

涡桨、涡轴发动机都有动力涡轮，动力涡轮上带有一根输出轴，以带动螺旋桨或旋翼旋转。动力涡轮可分为定轴涡轮和自由涡轮两种，在这两类中还可按其燃气发生器为单转子或双转子进行划分（图1－3～图1－7）。目前国际上的涡桨、涡轴发动机中，燃气发生器为单转子型居多数，双转子型较少。典型的双转子涡轴发动机如英国罗·罗公司研制的GEM（“宝石”）系列涡轴发动机（图1－7），属于自由涡轮式的。涡轮螺旋桨发动机的类型有两种：螺旋桨和压气机共用一根轴同涡轮连接的，叫作单轴式涡轮螺旋桨发动机（见图1－8）；螺旋桨和压气机各用一根轴同各自的涡轮连接的，叫作双轴式涡轮螺旋桨发动机（见图1－9）。后一种发动机，由于用来带动螺旋桨的涡轮转速较小，故传动比可以小些，这样就能够减轻减速器的重量；同时，带动压气机的涡轮比单轴式的涡轮负荷小，所以发动机易于起动，加速性也较好。此外，采用双轴后还便于进行调节。但因构造复杂，目前采用得较少。前一种发动机构造比较简单，目前应用得比较广泛。

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图1-3　定轴式发动机示意图

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图1-4　转子串列后输出式发动机示意图

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图1-5　转子同心前输出式发动机示意图

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图1-6　转子串列前输出式发动机示意图

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图1-7　双转子同心前输出式发动机示意图

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图1-8　涡轮螺旋桨发动机结构示意图

1—螺旋桨；2—减速器；3—压缩器；4—燃烧室；5—涡轮；6—喷管

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图1-9　双轴式涡轮螺旋桨发动机结构示意图

1—螺旋桨；2—带动压缩器的涡轮；3—带动螺旋桨的涡轮

涡桨发动机通常为前输出形式，而双转子的涡桨发动机的转子运转方向一般是互为反向，以消除产生的扭转力矩。

1.3.1.1　定轴式

定轴式涡轴涡桨发动机，又称固定式涡轴涡桨发动机（图1－3），涡轮既驱动压气机又同时输出轴功率，其涡轮产生的功率远高于压气机所需功率，剩余功率经减速器（内减）输出，带动螺旋桨、直升机旋翼或其他负载。

由于定轴式发动机无自由涡轮，其功率输出与燃气发生器有机械连接，因此，其突出优点是：功率传输方便、加速性能好；结构简单，输出轴结构便于布局；调节简单，一般采用工作状态恒转速调节规律。

但上述结构也带来一定的缺点：起动性能差，起动机要带动整个发动机的转子，因此起动加速慢；为改善起动性能，往往要在轴上加装离合装置，以便在起动时不必同时带动惯性很大的螺旋桨轴/旋翼轴，这将使结构复杂、重量增加；动力传输转速高，使追求涡轮高转速以改善效率与螺旋桨/旋翼要求低转速的设计难度增加，造成飞机/直升机主减速器重量大；在同功率状态下，输出转速无法调节。

定轴式涡轴发动机结构形式一般采用转子的前输出轴形式，因此它与在前面输出轴功率带动螺旋桨的涡桨发动机有较多共性，在型号发展上往往桨和轴兼顾。这种方案的典型型号有法国的透博梅卡公司的ArtousteⅢB和Astazuo14M发动机（图1－10）。

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图1-10　Astazuo14M定轴式涡桨/涡轴发动机

1.3.1.2　自由涡轮式

自由涡轮式发动机（图1－4～图1－7）由燃气发生器和自由涡轮组成，通过独立的自由涡轮输出轴功率。自由涡轮安装在发动机的输出轴上，该轴与涡轮压气机轴无任何机械联系，仅仅是气动联系，这样使得自由涡轮转速能够独立于燃气发生器进行调节，此特点对于配装多台发动机的飞机或直升机是非常重要的。

（1）特点

1）自由涡轮式发动机有以下优点：

①起动性能好：它起动时供给的起动功率只需供给燃气发生器转子转动，而无须带动动力（自由）涡轮转动。因此其起动所需功率可以远远小于同量级的定轴式发动机。其起动加速快、时间短，而且无须在起动机与发动机间加装复合式离合装置。

②工作稳定：这种发动机的燃气发生器不受其动力（自由）涡轮和负载的影响，其工作稳定性较定轴式好得多。

③调节性能好：由于其燃气发生器和动力（自由）涡轮各自以不同的转速工作，故可以使旋翼转速始终调节到最佳工作转速。

④经济性好：自由涡轮式动力涡轮的输出转速远远低于定轴式涡轮输出轴转速，因而降低了传动系统（内减和主减）的减速比和传动损失，而且在各种使用条件下均可获得较低的燃油消耗率。这使自由涡轮式涡桨/涡轴发动机的经济性优于定轴式涡桨/涡轴发动机。

⑤便于燃气发生器选配动力（自由）涡轮，这有利于通过核心机派生出各种需要的涡桨/涡轴发动机。

2）自由涡轮式涡轴发动机的缺点如下：

①结构复杂：在燃气发生器转子的基础上，增加了动力（自由）涡轴系及轴系的支承和相应的转速测量与控制的要求。

②动力涡轮加速性较差：这是由于燃气发生器转子在加速过程中，与带动负载的动力（自由）涡轮无机械联系所带来的缺点。但现代涡轴发动机通过燃气发生器加速性的进一步改善，弥补了动力涡轮加速性较差的弱点。

现代自由涡轮式涡轴发动机的结构形式已由20 世纪70年代前的燃气发生器转子与自由涡轮转子串列倒置后输出轴式，日趋发展为较一致的燃气发生器转子与自由涡轮转子同心的前输出轴式，这都是依赖于自20 世纪70年代末期出现的宽弦长跨声级轴流压气机、跨声离心压气机、短环形燃烧室（直流和回流）以及高负荷涡轮、高DN 值耐温防滑轴承和转子动力学等方面的技术进步。例如，制造成短小而高刚性结构，已无须采用并轴式结构，这有利于在核心机基础上发展为涡桨型、涡扇型甚至桨扇型等系列，如美国通用电气公司20 世纪80年代中期发展的GE－27 型发动机，就通过这种前输出轴形式实施了轴型、桨型、扇型及桨扇型计划。

（2）单转子同心式自由涡轮涡轴发动机

这是现代涡轴发动机的主流结构形式，具有代表性的有英国R·R 公司和法国TM公司联合研制的RTM322－01 型，以及法国透博梅卡公司的TM333 型和美国通用电气公司的 T700－GE－701A 型（图1－11），加拿大普惠公司的 PT6A、PT6B－36。它们的主要特点是按进气流方向为前输出轴式，即在发动机进气口前方与负载机械相连，将轴功率输给负载。其优点是便于发展为一机多型系列，但也有涡轴尺寸加长和加工上的困难。

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图1-11　T700-GE-701A 型单转子自由涡轮涡轴发动机

（3）单转子串列式自由涡轮涡轴发动机

这类发动机是20 世纪70年代前常用的自由涡轮式涡轴发动机形式。其结构特点是自由涡轴功率从发动机后面引出，再通过一根与燃气发生器主轴串列的轴将发动机轴功率传输给负载。其中，由串列轴向前输出功率的称为串列前输出轴式。

串列前输出轴式的代表型号有法国透博梅卡公司的Arriel－1C1（即国产WZ8A 型）（图1－12），串列后输出轴式的代表型号有苏联依索托夫设计局的TV2－117A 型、法国透博梅卡公司的TurmoⅢC 发动机。

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图1-12　国产WZ8A 型单转子串列前输出轴式自由涡轮涡轴发动机

（4）双转子自由涡轮式涡轴发动机

双转子自由涡轮涡轴发动机，其高、低压转子在起动和低转速时可获得较大的喘振裕度。由于这种发动机构造较复杂，故在自由涡轮式涡轴发动机系列中发展的不多。其具有代表性的主要有英国·罗公司GEM（“宝石”）系列（图1－5）和新发展的PLT27型自由涡轮双转子涡轴发动机。

当前发展的双转子自由涡轴发动机，其主要结构形式是转子同心前输出轴式。