直升機的心臟：渦輪軸發動機及其分類|陳光談航發40

自一九三六年世界上誕生了第一架直升機以來，由於其具有能垂直起落和懸停等優點，不受場地限制，使用方便，在軍民用領域得到了廣泛應用。

作為驅動直升機旋翼而產生升力和推進力的動力裝置，可分為活塞式發動機和渦輪軸發動機，上世紀50年代中期以前，直升機發動機都是活塞式發動機。

上世紀50年代中期，渦輪軸發動機開始用作直升機的動力。與活塞式發動機相比，渦輪軸發動機具有重量輕，體積小，功率大，振動小，易於起動，便於維修和操縱等一系列優點，得到迅速發展與廣泛採用。

到上世紀60年代以後，新研製的直升機幾乎全部採用了渦輪軸發動機作為動力。

渦輪軸發動機及其分類

渦輪軸發動機

圖7-1、自由渦輪式渦輪軸發動機簡圖

渦輪軸發動機是航空燃氣渦輪發動機中的一種。在核心機或燃氣發生器后，加裝一套渦輪（1級或多級），燃氣在這后一渦輪（一般稱為動力渦輪或低壓渦輪）中膨脹，驅動它高速旋轉併發出一定功率，動力渦輪的前軸（稱動力軸）穿過核心機轉子，通過壓氣機前的減速器減速後由輸出軸輸出功率，就組成了渦輪軸發動機（圖7-1）。

圖7-2、后輸出軸的自由渦輪式渦輪軸發動機

渦輪軸發動機中，燃氣發生器產生的可用能量基本全被動力渦輪吸收並從動力軸輸出，通過直升機上的主減速器減速后驅動直升機的旋翼和尾槳；由尾噴管中噴射出的燃氣的溫度和速度極低，基本上不產生推力。

圖7-3、定軸式渦輪軸發動機簡圖

大多數的渦輪軸發動機，動力渦輪與核心機的渦輪是分開的，且以不同的轉速工作。由於動力渦輪與核心機沒有機械地連成一體，因此也稱它為自由渦輪，圖7-1所示的簡圖，即為這種類型的渦輪軸發動機。

在有的渦輪軸發動機中，動力渦輪不是通過前軸穿過燃氣發生器向前輸出功率，而是由渦輪轉子的后軸向後輸出功率。國產直九直升機用渦軸8發動機自由渦輪即是向後輸出功率的，其結構示意圖見7-2。

少數的渦輪軸發動機，將動力渦輪與核心機的渦輪機械地連接在一起，成為定軸式或單軸式渦輪軸發動機(圖7-3)。

一般，一架直升機上裝有1～3台發動機。由於直升機旋翼的轉速極低，約為100轉/分，而渦輪軸發動機渦輪軸的轉速極高，一般為10000～40000轉/分甚至更高（發動機功率越小、輸出軸的轉速越高）。

因此，在直升機上設有一主減速器，將2台或3台發動機的功率輸出軸水平地輸入減速器，經減速后旋翼軸垂直向上地驅動旋翼。

一般，發動機距主減速有一段距離，需通過功率輸出軸將發動機的功率傳至主減速器。

為了不使主減速器的減速比太大，增加主減速器的複雜性與重量，一般（除功率高達4000～5000馬力以外）不能將渦輪軸直接與主減速器連接，而需在渦輪軸發動機的壓氣機前裝一減速器，先將渦輪軸的轉速減速后再通過「功率輸出軸」將功率輸至主減速器，此減速器稱為渦輪軸發動機的「體內減速器」。

另外，功率輸出軸的轉速不能太小也不能太大，太小，功率輸出軸的直徑將會很大，使重量加大（傳動功率一定時，軸的轉速低則軸徑大，反之轉速高則軸徑小）；

太大，雖然輸出軸直徑可以小，但卻使直升機主減速器結構變得複雜、重量大，且輸出軸的轉子動力學問題難以解決。現有的渦輪軸發動機中，大多數的功率輸出軸轉速為6000轉/分，少部分為8000轉/分。

圖7-4、 「雲雀」Ⅲ輕型單發直升機—20世紀50年代中期出現的、以渦輪軸發動機為動力的直升機的先驅

圖7-4示出了一種用老式的、用渦輪軸發動機作動力的單發輕型直升機的照片，當時發動機直接暴露在機身上，可以看出直升機上的發動機、主減速器（照片上未顯示出來）、旋槳及尾槳等。

渦輪軸發動機分類

渦輪軸發動機按有無自由渦輪，分為定軸式渦輪軸發動機和自由渦輪式渦輪軸發動機兩類。

定軸式渦輪軸發動機

定軸式渦輪軸發動機（圖7-3），也稱為固定渦輪式渦輪軸發動機，其渦輪既驅動壓氣機又驅動功率輸出軸。

定軸式渦輪軸發動機的渦輪產生的功率遠大於壓氣機所需的功率，通過減速器將其剩餘的功率輸出，用於帶動直升機旋翼和尾槳。

由於其功率輸出軸與核心機為機械連接，因此具有功率傳送方便，結構簡單，操縱調節簡單等優點。但也存在著起動性能差（起動加速慢），加速性不好，功率輸出軸轉速高而需要大的減速器等缺點。

自由渦輪式渦輪軸發動機

自由渦輪式渦輪軸發動機（圖7-1）由燃氣發生器和自由渦輪組成。產生輸出功率的自由渦輪安裝在發動機功率輸出軸上，此軸與核心機轉子無機械聯繫，它們之間僅有氣動聯繫。

由於自由渦輪是輸出軸功率的，因此又稱自由渦輪為動力渦輪。自由渦輪式渦輪軸發動機與定軸式渦輪軸發動機相比，起動性能好，工作穩定，加速性能較好，調節性能和經濟性好。但其結構比較複雜。

大部分渦輪軸發動機為自由渦輪式渦輪軸發動機，定軸式渦輪軸發動機僅用於一些功率較小的發動機中。

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