涡桨发动机

纵观航空发动机的发 展历程最先出现的是活塞发动机，活塞发动机使人类第一次真正实现了飞天梦。发动机功率大致与飞行速度的三次方成正比，因此随着飞机速度的提高，飞行阻力随着速度速增加，从而导致发动幢量迅速増大， 无法满足飞机对重量的限制。另 一方面，当飞行速度接近 800km/h时，螺旋桨的桨尖速度已接近声速，形成激波和振动会导致螺旋桨工作不稳定，效率急剧下降。1939年9月27日，随着装有燃气涡轮喷气发动 机的飞机在德国首次试飞成功，航空燃气涡轮发动机给人类带来了飞行速度上的质的飞越。航空发动机技术不断发展，时至今日，航空燃气涡轮发动机已分出许多类型，性能也较70几年前大有提高 。现有航空燃气涡轮发动机的主要类型有：涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机及桨扇发动机等1 。

涡桨发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的推力或拉力作为飞机前进的动力。同活垂发动机+螺旋桨相比，涡桨发动机有许多优点。首先，它的功率更大，功重比也大，最大功率可超过10000HP，功重比为4 以上，而活 塞发动机最大不过三四千马力，功重比 为2左右。其次，由 于减少了运动部件，尤其是没有做往复运动的活塞，涡桨发动机的稳定性好，噪声小，寿命长，维修费也较低。而且，由于核心部分细燃气发生器，涡桨发动机的删高度和速度范围都要比活塞发动机高得
多。在耗油方面，二者相差不多，但涡桨发动机所使用的煤油要比活塞发动机的汽油便宜。目前最有代表性的涡 桨发动机有单轴式与自由涡轮式两种1 。

基本原理最初，燃气混合气是由高能点火器点燃的，然后膨胀的燃气流到涡轮。高速热燃气的能量在主轴上通过涡轮转子转换成扭矩。减速齿轮把主轴的高转速-低扭矩转换成低转速-高扭矩，以驱动附属装置和螺旋桨。离开涡轮的废气通过排气管排放到大气中2。

在燃烧过程中，实际使用的流过发动机的空气大约只占10%，约20%的压缩空气可能被用于加热、冷却、客舱增压和气源系统。超过一半的发动机功率用于驱动压缩机，并且如果发动机失效而自转，则压缩机可能产生很高的阻力2。

在固定轴恒速型发动机上，发动机转速在96%～100%这个很小的范围内变化。在地面运行过程中，转速可能降低至70%。在飞行中，发动机以恒速运行，这是通过螺旋桨的控制系统保持的。可以通过增加燃油流量和螺旋桨桨叶角而不是通过增加发动机转速来改变功率。燃油流量的增加导致温度增加，并且涡轮可用的能量也相应增加。涡轮吸收更多的能量，并以扭矩的形式传递至螺旋桨。增加的扭矩迫使螺旋桨桨叶角增加，以便维持恒定的速度。在输出功率的过程中，涡轮温度是一个很重要的考虑因素，它和燃油流量直接相关，因而也直接和输出的功率大小有关。由于燃烧室和涡轮部分材料的强度和耐久性有限，因此必须限制涡轮温度。控制系统调节燃油流量从而产生特定的温度，并且限制这些温度，这样就不会超过燃烧室和涡轮部分的温度限制。发动机被设计成可以在其整个寿命期内以100%转速运转。它的所有组成部件，例如压缩机和涡轮，在以设计转速或接近设计转速工作时效率是最高的2。

对动力装置(发动机和螺旋桨)的控制是通过每个发动机的油门杆和燃油流量控制杆实现的。如图14-3所示。它没有可以在活塞发动机上看到的混合气控制杆和/或转速控制杆。在固定轴恒速型涡轮螺旋桨发动机上，前推或后拉油门杆可以增加或减小向前的推力，油门杆还可用于提供反推力。燃油流量控制杆把预期的发动机转速设定在适合于地面运行和飞行之间的狭窄工作范围内2。

单轴式与自由式特性比较尺寸重量在同等输 出轴功率级别 下，由于增加了自由涡轮，自由涡轮发动机要比单轴发动机重10% 左右。而在外形尺寸，单轴发动机有更 大的优势。单轴发动机的基本结构中，在工程设计制造时，发 动机厂家会把减速齿轴箱布置在压气机的前上方或前下方，一方面可以减少发动机的轴 向尺寸，另一方面也方便发动机进行道的设计1。

效率及响应速度自由式涡轮发动机由于自由涡轮是由燃气驱动的，与燃气发生器没有机械连接， 因此， 自由涡轮发动机的效率在涡轮螺旋桨发动机类型中比单轴式涡桨发动机的稍低。自由涡轮发动机的压气机布置在发动机后端，空气从进气道进入后需转180°才能进入压气机，导致进气损失偏大。反映到燃油经济性上，与单轴式涡轮发动机相比，在输出轴功率相当的前提下，自由涡轮发动机的燃油消耗率（SFC）较单轴发动机的高约6%~10%。

另一方面，由于自由涡轮是靠燃气驱动的，因此在飞行员想改变发动机状态时，自由涡轮发动机将会有一定的延迟，例如从慢车到最大起飞功率，飞行员完成推杆动作后，大概得经过3s左右发动机才能到达所需的最大起飞功率状态，在响应速度上，单轴发动机有着几乎无延迟的优势1。

启动特性地面启动时，自由涡轮发动机所需的扭矩更小。这是因为自由涡轮在启动过程中仅需将燃气发生器转子（包括压气机及其涡轮） 带动到点火转速， 而单轴发动机在此过程中还需带动发动机前端的螺旋桨及减速齿轮箱。因此，在小飞机上，一般只需绐自由满轮发动机配备一块启动用的蓄电池而需要给单轴发动机配备两块。

在飞行中进行发动机再启动时，自由涡轮发动机的再启动包线更广。自由涡轮发动机在飞行中进行再启动有两种模式，风车启动及启动发电机启动，而单轴发动机只能通过风车启动。风车启动指的是，涡桨发动机空中熄火后，由于螺旋桨的旋转为风车状态，发动机转子也随螺旋桨一起转动，如飞行高度和速度在厂家允许的包线内，可根据需要进行点火启动。而空中的启动发电机启动与地面正常启动程序一样1。

噪声及进气道设计单轴发动机的压气机在发动机前端，直接对着进气道，而自由式的气压机在发动机后端。因此如果单轴发动机进气道不进行消声设计， 发动机运行时压气机的 矂声将直接传到机体外。自由式发动机在噪声控制方面显然要好于单轴发动机 。对于发动机进气道的设计，单轴发动机的进气道基本上已为发动机自带，而且由于该进气道位于减速齿轮箱的下方（或上方）齿轮箱工作时处于高温的滑油为进气的防冰提供了热量，但是由于压气机暴露在进气气流下,发动机对外来物损伤（FOD）的抵抗能力较弱1。

发动机的安装及布置在飞机生产厂家进行发动机选型时，除考虑发动机功率、功重比、燃油经济性、性能参数、安全可靠性等外，还需根据自身飞机空间限制选择合适的发动机。单轴发动机在外形尺寸上具有较大的优势 ，这不仅仅是因为发动机的轴向及径向尺寸，还与发动机进 、排气系统有关 。单轴式在排气系统设计时有很多方案可选，可设计成单排气管或双排气管，排气方向也可根据需要进行选择 。另外，由于排气管中可能产生火花或火星，从夜航时对飞行员视线的影响方面考虑，单轴发动机排气系统的设计显然更容易避开飞行员视线。下图分别为单轴式与自由发动机的常规结构1。

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国产单轴涡桨发动机举例WJ-6系列发动机压气机是单转子的十级轴流式亚音速压气机，由转子﹑ 静子和进气导向器三部分组成。涡轮为三级轴流反力式，由转子和静子组成。压气机转子和涡轮转子共用一根轴，工作转速12300r/min，由双级封闭差动游星减速器将轴转速减为螺旋桨工作转速1074r/min。为保证发动机启动和加速时的稳定工作，防止喘振，在第五和第八级压气机各装有两个放气活门。它的主要缺点是：启动时启动机需带动压气机和涡轮同步工作，所带载荷大，启动困难。十级压气机增压比为9.2，增压比低。转速有工作转速12300r/min和慢车转速10400r/min，经双级封闭差动游星减速器减速后螺旋桨转速仍较高，造成发动机工作时噪音大3。

WJ-6发动机防止“ 喘振” 办法就是采用放气方法，就是在压气机某级区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。中间级放气防喘结构简单，有利于压气机在低转速下工作稳定，但使压气机增压比下降，降低功率输出。3