航空发动机工程通论：性能评定的关键指标

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，单位功率是表征涡轴发动机的性能，特别是尺寸、质量特征的重要指标。

涡桨和涡轴发动机是以轴功率输出为特点的航空燃气涡轮发动机，标志其性能的参数大体有三个方面，即发动机的功率特性方面、发动机经济性方面，以及发动机的物理特性方面等。

为了具体评定某一型发动机性能、技术水平和特征，在上述三方面派生出若干具体的数据和相应的量纲（有的是比值，量纲为1），以便描写涡桨、涡轴发动机的各参数指标。它们可以概括为：反映涡轴和涡桨发动机轴功率特性的轴功率（当量功率）、当量功、功率质量比、单位流量轴功率、单位迎面功率；反映涡轴、涡桨发动机经济性的燃油消耗率（当量燃油消耗率）、燃油消耗量；反映涡轴、涡桨发动机物理特性的结构尺寸、发动机净重、发动机单位轴功率质量等。由于直升机飞行条件对涡轴发动机性能参数影响较大，因此，一般研究的参数指在标准大气（海平面101 325 Pa、＋15 ℃）条件、发动机在海平面工作（H=0），以及直升机处于迎面气流为零速（V=0）的悬停工作状态；研究发动机的经济性则指涡轴发动机巡航工作状态下的耗油率。作为运输机的涡桨发动机也是如此。

1.3.2.1　轴功率特性

涡轴发动机的可用功率取自动力涡轮（多为自由涡轮）轴，因而通常称为轴功率，一般用千瓦（kW）或马力（hp）表示。涡轴发动机的轴功率（即输出轴功率）与动力涡轮功率可认为基本相等，这是考虑到动力涡轮功率转化为轴功率过程中，通过内减速器形成的机械损失较小。对于无内减器的直接驱动式涡轴发动机，则其自由涡轮功率即其轴功率。

轴功率是评价涡轴发动机的一项重要指标，因为这一参数决定该型发动机的用途，以及装用该发动机的直升机能有多大的可用载荷、飞行速度和升限等。但由于涡轴发动机轴功率的绝对值还不能表征具体发动机的本质特征，因此，虽然它是涡轴发动机的一个重要参数，却不能评价发动机性能的好与差。很显然，由于不同的设计水平及采用的先进材料和工艺水平，同等轴功率的涡轴发动机其空气流量、净重、外廓尺寸可有较大的差别。就一台涡轴发动机的本质功率特性来说，一般采用更科学的指标——轴功率质量比（也有采用比重的，为其倒数）、单位流量轴功率和单位迎面轴功率等来加以评定。

（1）轴功率质量比

轴功率质量比也称轴功率重量比，简称功质（重）比，它是指涡轴发动机动力输出轴上所发出的功率与涡轴发动机净质量（或净重量）之比。通常，这里的净重包括发动机的工作所需全部导管，但不包括滑油和燃油，即

功质比=涡轴发动机轴功率/涡轴发动机净重（kW/kg 或hp/kg）

涡轴发动机的功质比，可反映出其循环参数、结构设计、部件效率、选用材料等的完善程度。在轴功率一定时，涡轴发动机的功质比越大，说明其质量越小，它直接影响到装直升机后的全机功质比，对直升机的飞行速度、升限、航程，特别是对直升机的机动性的改善有重要影响。当代涡轴发动机的功质比在 4.5～11 kW/kg（6～15 hp/kg），正在发展的第五代涡轴发动机则可达15 kW/kg（20 hp/kg）；装机后的全机功重比一般在0.3～0.4 kW/kg（0.4～0.5 hp/kg）。新一代的军用武装直升机可达 0.4～0.5 kW/kg（0.5～0.68 hp/kg）。

（2）单位流量轴功率

单位流量轴功率也称单位空气流量轴功率，简称单位功率，它是指每一秒钟流过涡轴发动机1 kg 空气在功率输出轴上所发出的轴功率。它是轴功率与涡轴发动机的空气流量之比：

单位功率=涡轴发动机轴功率/涡轴发动机空气流量（kW·s/kg 或hp·s/kg）

涡轴发动机的单位功率，从本质上反映出该型涡轴发动机的气动设计水平、部件效率、结构合理性等特征。在轴功率一定条件下，一台涡轴发动机的单位功率越大，表征单位空气功质所做的功越大，则发动机的截面尺寸和质量（重量）会减小，它直接影响到飞机总体性能。因此，单位功率是表征涡轴发动机的性能，特别是尺寸、质量特征的重要指标。当代先进发动机的单位功率约为250 kW·s/kg（350 hp·s/kg）量级。

（3）单位迎面轴功率

涡轴发动机的单位迎面轴功率，是指涡轴发动机的轴功率与其最大横截面面积的比值，简称单位迎面功率：

单位迎面功率=涡轴发动机功率/涡轴发动机最大横截面积（kW/mm2或hp/mm2）

单位迎面功率越大，或者在轴功率一定条件下发动机的最大横截面面积越小，涡轴发动机装机时的配置性能越好。这种安装配置性的改善，可促使动力装置的传动机构振动减小、飞机空气动力特性的改善，以及飞机空勤机组座舱和可用载荷舱（客舱或货舱）视野的改善。当代涡轴发动机的单位迎面功率为 0.004 5～0.006 5 kW/mm2（0.006～0.009 hp/mm2）。

（4）当量功率

在比较涡轮螺旋桨发动机的性能和进行计算时，往往需要知道发动机发出的全部功率的数值。为此，通常把喷气推进产生的功率设想成是由螺旋桨产生的，并且折合为螺旋桨轴的功率，然后再将这个折合功率与螺旋桨轴功率（N桨）相加，得出相当于发动机全部功率的当量功率。当量功率用符号N当表示。

1.3.2.2　发动机的经济性

表征涡轴发动机经济性的参数主要有燃油消耗率（简称耗油率）和滑油消耗量，而涡轮螺旋桨发动机则为当量燃油消耗率。

（1）燃油消耗率

燃油消耗率是反映涡轴发动机经济性的最主要参数，也称为单位燃油消耗量。它是指涡轴发动机每小时燃油消耗量与涡轴发动机轴功率之比：

耗油率=涡轴发动机小时燃油消耗量/涡轴发动机轴功率［kg/（kW·h）或kg/（hp·h）］

涡轴发动机燃消耗率越小，则反映该型发动机产生的kW（或hp）轴功率所消耗的燃油量越小，即经济性越好。这一指标直接影响到飞机的最低公里燃油消耗量、最低燃料费用等。例如，由于涡轴发动机以最大连续状态和起飞状态工作时，较装活塞式发动机的飞机能更经济地飞行，为获得低公里油耗，以接近最大速度飞行为好。当代涡轴发动机的燃油耗油率，起飞状态为 0.40～0.27 kg/（kW·h）［0.30～0.20 kg/（hp·h）］、巡航状态为0.55～0.30 kg/（kW·h）［0.40～0.22 kg/（hp·h）］。

（2）当量燃料消耗率

涡桨发动机每产生1 kW（或1 hp）的当量功率，在1 h 内所消耗的燃料重量（G时燃）叫作当量燃料消耗率，以 C当表示，即

现代的涡轮螺旋桨发动机在试车台上工作时，其当量燃料消耗率为0.20～0.28 kg/（hp·h）。随着飞行速度及高度的增加，发动机的经济性得到改善，当量燃料消耗率可减小为0.15～0.20 kg/（hp·h）。

1.3.2.3　发动机的使用性能

（1）可靠性与维修性

涡桨和涡轴发动机的可靠性、维修性的功用与评价，与涡喷、涡扇发动机是一致的，可靠性会影响飞机/直升机的飞行安全。评价发动机工作可靠性指标有若干项，如平均故障间隔时间（MTBF）、空中停车率（每千小时停车次数）、提前换发率等。维修性决定着发动机维修是否简单、方便及维修费用水平，评价发动机维修性好坏的指标也有若干项，如无故障待命时间和单元体拆换工时等。

涡桨、涡轴发动机的可靠性与维修性问题是较复杂的命题，在这里只是说明它们是涡桨、涡轴发动机性能评定的重要内容之一。

（2）振动与噪声级水平

振动与噪声是涡桨和涡轴发动机性能水平的重要指标。由于涡桨和涡轴发动机转速高，转子系统极易发生振动，再加上与战斗机相比，其飞行高度较低，故振动与噪声关系到飞机/直升机舒适性，也关系到其对周围环境的影响。涡桨和涡轴发动机的噪声主要来自燃气涡轮、压气机及排出气流，而排出气流则是主要噪声源，它发生于同介质混合形成的激烈紊流脉动之中。涡桨和涡轴发动机的振动源，主要来自发动机的旋转部件，如压气机、涡轮和自由涡轮转子，这是因为每分钟数万转（3万～5万r/min）转子的精确平衡是非常困难的。

当代涡桨和涡轴发动机的振动级水平，多采用振动速度（V）值来评定（早期采用加速度g），这是因为振动速度平方同部件质量的乘积反映出的振动动能。它们的振动值多为10～30 mm/s，属于较低的振级水平，而当代中、大型航空燃气涡轮发动机，其振动速度值多为40 mm/s左右。

注：本章内容的主要素材取自以下参考文献以及若干其他资料。

航空发动机工程通论：性能评定的关键指标

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