在带有压气机的涡轮发动机这一类型中,涡轮轴发动机出现得较晚,但已在直升机和垂直/短距起落飞机上得到了广泛的应用。
涡轮轴发动机于1951年12月开始装在直升机上,作第一次飞行。那时它属于涡轮螺桨发动机,并没有自成体系。以后随着直升机在军事和国民经济上使用越来越普遍,涡轮轴发动机才获得独立的地位。
在工作和构造上
涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来,只不过后者将风扇变成了螺旋桨,而前者将风扇变成了直升机的旋翼。除此之外,涡轮轴发动机也有自己的特点:它一般装有自由涡轮(即不带动压气机,专为输出功率用的涡轮),而且主要用在直升机和垂直/短距起落飞机上。
在构造上,涡轮轴发动机也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等燃气发生器基本构造,但它一般都装有自由涡轮,如图所示,前面的是两级普通涡轮,它带动压气机,维持发动机工作,后面的二级是自由涡轮,燃气在其中作功,通过传动轴专门用来带动直升机的旋翼旋转,使它升空飞行。此外,从涡轮流出来的燃气,经过尾喷管喷出,可产生一定的推力,由于喷速不大,这种推力很小,如折合为功率,大约仅占总功率的十分之一左右。有时喷速过小,甚至不产生什么推力。为了合理地安排直升机的结构,涡轮轴发动机的喷口,可以向上,向下或向两侧,不象涡轮喷气发动机那样非向后不可。这有利于直升机设计时的总体安排。
涡轮轴发动机是用于直升机的,它与旋翼配合,构成了直升机的动力装置。按照涡轮风扇发动机的理论,从理论上讲,旋翼的直径愈大愈好。同样的核心发动机,产生同样的循环功率,所配合的旋翼直径愈大,则在旋翼上所产生的升力愈大。事实上,由于在能量转换过程中有损失,旋翼也不可能制成无限大,所以,旋翼的直径是有限制的。——般说,通过旋翼的空气流量是通过涡轮轴发动机的空气流量的500-1000倍。
活塞发动机采相比
同涡轮轴发动机和直升机常用的另一种动力装置——活塞发动机采相比,涡轮轴发动机的功率重量比要大得多,在2.5以上。而且就发动机所产生的功率来说,涡轮轴发动机也大得多,目前使用中的涡轮轴发动机所产生的功率,最高可达6000马力甚至10000马力,活塞发动则相差很远。在经济性上,涡轮轴发动机的耗油率略高于最好的活塞式发动机,但它所用的航空煤油要比前者所用的汽油便宜,这在一定程度上得到了弥补。当然,涡轮轴发动机也有其不足之处。它制造比较困难,制造成本也较高。特别是由于旋翼的转速更低,它需要比涡轮螺旋桨发动机更重更大的减速齿轮系统,有时它的重量竟占发动机总重量一半以上。
