渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組成

所有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)都具備壓縮機(jī)(Compressor)、燃燒室(Cumbustion)、渦輪機(jī)(Turbine，也就是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)之名的來源)三大部份。壓縮機(jī)通常還分成低壓壓縮機(jī)(低壓段)和高壓壓縮機(jī)(高壓段)，低壓段有時(shí)也兼具進(jìn)氣風(fēng)扇增加進(jìn)氣量的作用，進(jìn)入的氣流在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮成高密度、高壓、低速的氣流，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。氣流進(jìn)入燃燒室后，由供油噴嘴噴射出燃料，在燃燒室內(nèi)與氣流混合并燃燒。燃燒后產(chǎn)生的高熱廢氣，接著會(huì)推動(dòng)渦輪機(jī)使其旋轉(zhuǎn)，然后帶著剩余的能量，經(jīng)由噴嘴或排氣管排出，至于會(huì)有多少的能量被用來推動(dòng)渦輪，則視渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的種類與設(shè)計(jì)而定，渦輪機(jī)會(huì)和壓縮機(jī)一樣分成高壓段與低壓段。

雖然渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可能有許多不同的運(yùn)作原理，但最簡(jiǎn)單的渦輪型式可以只包含一個(gè)“轉(zhuǎn)子”（Rotor），例如一個(gè)帶有中心軸的扇葉，將此扇葉放置在流體中（例如空氣或水），流體通過時(shí)對(duì)扇葉施加的力量會(huì)帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而得以從中心軸輸出軸向的扭力。風(fēng)車與水車這類的裝置，可以說是人類最早發(fā)明的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)原型。

依照不同的分類方式，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也可以分類成很多不同的型式。例如以燃燒室與轉(zhuǎn)子的位置是否在一起來區(qū)別，就存在有屬于外燃機(jī)一類的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（Gas turbine），與屬于內(nèi)燃機(jī)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（Turbofan）。

如果將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)反過來運(yùn)作，則會(huì)變成一種輸入力量之后可以將流體帶動(dòng)的設(shè)備，例如壓縮機(jī)（compressor）與泵（pump）。

有些渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)本身具有多組扇葉，其中部分是用于自流體汲取動(dòng)力，部分是用于推動(dòng)流體，二者不能混為一談。舉例來說在大部分的渦輪扇葉發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中，位于燃燒室之前的扇葉實(shí)際的作用是用于加壓進(jìn)氣，因此應(yīng)被視為是一種壓縮機(jī)。真正的渦輪機(jī)部分是位于燃燒室后方的風(fēng)扇，被燃燒后的排氣推動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力，再透過傳動(dòng)軸將力量輸送至主扇葉（渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)）或螺旋槳（渦輪旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)）處，推動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（主要用于戰(zhàn)斗，以及超音速客機(jī)，例如協(xié)和號(hào)）；

2.渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（主要用于民用噴氣式飛機(jī)和轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)等，是應(yīng)用最為廣泛的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)） 3.渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（主要用于螺旋槳飛機(jī)，很多舊型號(hào)的活塞式螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)后來都經(jīng)改造安裝上了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)從而延長了飛行壽命）；

4.渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)（主要用于直升機(jī)）

5.此外還有螺旋槳及風(fēng)扇組合的漿扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

從噴氣推進(jìn)方式來講，還有：

沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（主要用于導(dǎo)彈和靶機(jī)），采用間歇燃燒原理的脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及不同類型組合的發(fā)動(dòng)機(jī)，如渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（Turbine engine，常簡(jiǎn)稱為渦輪，Turbine，又譯透平）是一種利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)件自穿過它的流體中汲取動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)形式。按照發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒所需的氧化劑的來源不同可分為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)自帶氧化劑?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)氧化劑和燃燒劑的形態(tài)不同，又分為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)近來也被用來用作大型發(fā)電機(jī)。

壓力比是在發(fā)動(dòng)機(jī)上兩個(gè)不同地點(diǎn)之間的壓力關(guān)系。

EPR=Pt7/Pt2(普惠公司JT系列)

EPR=Pt4.95/Pt2（PW4000系列）

涵道比是指渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通過外涵的空氣質(zhì)量流量與通過內(nèi)涵的空氣質(zhì)量流量之比。涵道比為1左右是低涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，2~3左右是中涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，4以上是高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)。

排氣溫度通常用EGT來表示。渦輪進(jìn)口總溫是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要、最關(guān)鍵的參數(shù)，但是由于這里溫度高，溫度場(chǎng)不均勻，目前實(shí)際是測(cè)量渦輪排氣溫度間接反映渦輪進(jìn)口溫度的高低，限制EGT以保證渦輪進(jìn)口溫度不超過限制。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通常用n1表示。對(duì)于高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由于風(fēng)扇產(chǎn)生推力占絕大部分，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也是推力表征參數(shù)，在駕駛艙顯示。

通常部件包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、噴管以及附件傳動(dòng)部分。壓氣機(jī)、燃燒室組成核心發(fā)動(dòng)機(jī)。 ? ?

自由式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由于自由渦輪是由燃?xì)怛?qū)動(dòng)的， 與燃?xì)獍l(fā)生器沒有機(jī)械連接， 因此， 自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)類型中比單軸式渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的稍低。如右圖，可知自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)后端，空氣從進(jìn)氣道進(jìn)入后需轉(zhuǎn)180°才能進(jìn)入壓氣機(jī)，導(dǎo)致進(jìn)氣損失偏大。反映到燃油經(jīng)濟(jì)性上，與單軸式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在輸出軸功率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率(SFC)較單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的高約6%~10%。

另一方面，由于自由渦輪是靠燃?xì)怛?qū)動(dòng)的，因此在飛行員想改變發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)有一定的延遲，例如從慢車到最大起飛功率，飛行員完成推桿動(dòng)作后，大概得經(jīng)過3s左右發(fā)動(dòng)機(jī)才能到達(dá)所需的最大起飛功率狀態(tài)，在響應(yīng)速度上慢于單軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

地面啟動(dòng)時(shí)，自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所需的扭矩更小。這是因?yàn)樽杂蓽u輪在啟動(dòng)過程中僅需將燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子(包括壓氣機(jī)及其渦輪) 帶動(dòng)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速， 而單軸發(fā)動(dòng)機(jī)在此過程中還需帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端的螺旋槳及減速齒輪箱。因此，在小飛機(jī)上，一般只需紿自由滿輪發(fā)動(dòng)機(jī)配備一塊啟動(dòng)用的蓄電池而需要給單軸發(fā)動(dòng)機(jī)配備兩塊。

在飛行中進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)時(shí)，自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的再啟動(dòng)包線更廣。自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中進(jìn)行再啟動(dòng)有兩種模式，風(fēng)車啟動(dòng)及啟動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。風(fēng)車啟動(dòng)指的是，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)空中熄火后，由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)為風(fēng)車狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子也隨螺旋槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如飛行高度和速度在廠家允許的包線內(nèi)，可根據(jù)需要進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)。而空中的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)與地面正常啟動(dòng)程序一樣。

自由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪維護(hù)性比較簡(jiǎn)便。

發(fā)動(dòng)機(jī)廠家根據(jù)自由渦輪的位置，在兩級(jí)渦輪(自由渦輪與壓氣機(jī)渦輪)之間設(shè)計(jì)成可方便拆卸的法蘭連接，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行熱部件檢查時(shí)，只需把發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪及前端的減速齒輪箱拆下即可，有時(shí)甚至不需要從飛機(jī)上拆下發(fā)動(dòng)機(jī)。

因?yàn)闇u輪發(fā)動(dòng)機(jī)非常多樣，在本手冊(cè)中講解詳細(xì)的運(yùn)行過程是不切實(shí)際的。然而，有一些適用于所有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的操作考慮。它們是發(fā)動(dòng)機(jī)溫度限制，外界物體破壞，熱啟動(dòng)，壓縮機(jī)失速和熄火。

任何渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最高溫度都發(fā)生在渦輪進(jìn)氣口。渦輪進(jìn)氣溫度因此通常是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的限制因素。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力直接隨空氣密度變化。當(dāng)空氣密度降低時(shí)，推力也降低。當(dāng)渦輪和往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)受高的相對(duì)濕度有某種影響時(shí)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失可以忽略不計(jì)，而往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)馬力會(huì)降低很多。

由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)和功能，吸入物體碎片的可能性總是存在的。這會(huì)導(dǎo)致重大的損壞，特別是壓縮機(jī)和渦輪節(jié)。當(dāng)發(fā)生這樣的事情時(shí)，稱為外來物體損傷(FOD)。典型的FOD是吸入來自停機(jī)坪，滑行道或者跑道上的小物體導(dǎo)致的小凹痕和花邊。但是，也會(huì)發(fā)生飛鳥撞擊或者冰吸入導(dǎo)致的FOD損壞，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)損毀。

外物損傷的預(yù)防是非常重要的。地面運(yùn)行期間，一些發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口有在地面和進(jìn)氣口之間形成渦流的趨勢(shì)。在這些發(fā)動(dòng)機(jī)上可能安裝了一個(gè)渦流消散器。

也可能使用其他設(shè)備，如屏幕和/或偏轉(zhuǎn)器。飛行前檢查程序包括一個(gè)對(duì)任何外物損傷跡象的目視檢查。

熱啟動(dòng)是當(dāng)EGT超過安全限制時(shí)的啟動(dòng)。熱啟動(dòng)是由于太多燃油進(jìn)入燃燒室或者是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速不夠引起的。只要發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)時(shí)，參考飛機(jī)飛行手冊(cè)，飛行員操作手冊(cè)或者相關(guān)的維護(hù)手冊(cè)來了解檢查要求。

如果點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)不能加速到適合的速度或者沒加速到慢車轉(zhuǎn)速，這時(shí)就發(fā)生了懸掛啟動(dòng)。懸掛啟動(dòng)也可以稱為假啟動(dòng)。懸掛啟動(dòng)可能是由于啟動(dòng)動(dòng)力源不足或者燃油控制故障而導(dǎo)致。

壓縮機(jī)葉片是小的翼型，遵守適用于任何翼型的相同空氣動(dòng)力學(xué)原理。壓縮機(jī)葉片有一個(gè)迎角。迎角是進(jìn)氣口空氣速度和壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算結(jié)果。這兩個(gè)力合成構(gòu)成一個(gè)向量，它確定了翼型沖擊進(jìn)氣口空氣的實(shí)際迎角。

壓縮機(jī)失速可以描述為進(jìn)氣口速度和壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)速度這兩個(gè)向量數(shù)值的失衡。當(dāng)壓縮機(jī)葉片迎角超過臨界迎角時(shí)發(fā)生壓縮機(jī)失速。在這個(gè)點(diǎn)上，平穩(wěn)氣流受到干擾，隨著壓力波動(dòng)產(chǎn)生了紊流。壓縮機(jī)失速導(dǎo)致空氣流進(jìn)壓縮機(jī)時(shí)速度降低和停滯，有時(shí)還反向流動(dòng)。如圖4

壓縮機(jī)失速可以是瞬時(shí)現(xiàn)象和間歇性現(xiàn)象或者是持續(xù)的狀態(tài)，甚至更嚴(yán)重。瞬時(shí)/間歇性失速的表現(xiàn)通常是在回火和反向氣流發(fā)生時(shí)間歇的爆炸聲。如果失速發(fā)展成為穩(wěn)定狀態(tài)，可能從持續(xù)的反向氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和高聲的嘯叫。駕駛艙儀表基本上通常不會(huì)顯示輕度的或者瞬時(shí)失速，但是會(huì)顯示形成的失速。典型的儀表表現(xiàn)包括轉(zhuǎn)速的波動(dòng)和排氣溫度的增加。大多數(shù)瞬時(shí)失速不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有害，經(jīng)常在一兩個(gè)周期后自己糾正過來。穩(wěn)定狀態(tài)的失速導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的可能性很大。必須快速的通過降低功率，減小飛機(jī)迎角和增加空速來完成改出失速。

盡管所有的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)受壓縮機(jī)失速影響，大多數(shù)型號(hào)都有抑制這些失速的系統(tǒng)。有一個(gè)這樣的系統(tǒng)使用可變式進(jìn)氣口導(dǎo)葉(VIGV)和可變式定子葉片，它可以把進(jìn)來的空氣以適當(dāng)?shù)挠菍?dǎo)向到轉(zhuǎn)子槳葉。防止空氣壓縮失速的主要方法是使飛機(jī)在制造商確立的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。如果壓縮機(jī)失速確實(shí)形成了，請(qǐng)按照飛機(jī)飛行手冊(cè)或者飛行員操作手冊(cè)中的建議程序來做。

熄火是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一種運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的火無意的熄滅。如果燃燒室中油氣混合比超過富油限制，火焰將會(huì)被吹熄。這個(gè)狀態(tài)經(jīng)常稱為富油熄火。它通常發(fā)生于非?？焖俚陌l(fā)動(dòng)機(jī)加速，過度富油的混合氣使燃油溫度降低到燃燒溫度以下。也可能由于氣流不足而不能維持燃燒。

另一方面，更多常規(guī)的熄火事件是由于燃油壓力低和發(fā)動(dòng)機(jī)速度低，這些典型的和高高度飛行有關(guān)。這種情況也會(huì)在下降期間發(fā)動(dòng)機(jī)油門收回時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生貧油條件熄火。貧油混合器很容易導(dǎo)致火焰熄滅，甚至是正常的氣流通過發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)也會(huì)發(fā)生。

燃油供應(yīng)的任何干擾也會(huì)導(dǎo)致熄火。這原因可能是長時(shí)間的非常規(guī)姿態(tài)，發(fā)生故障的燃油控制系統(tǒng)，紊流，結(jié)冰或者燃油耗盡。

熄火的征兆通常和發(fā)動(dòng)機(jī)失效后一樣。如果熄火是因?yàn)樗矔r(shí)條件，例如燃油流量和發(fā)動(dòng)機(jī)速度之間的失衡，一旦狀態(tài)被糾正就可以嘗試空中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。無論如何，飛行員必須遵守飛機(jī)飛行手冊(cè)或者飛行員操作手冊(cè)中適用的緊急程序。一般的，這些程序包含了關(guān)于高度和空速的建議，在這些條件下空中開車很可能成功。

本書是美國普特拉·惠特尼公司編寫的《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)》第三版的中譯本。全書共六章:第一章介紹了航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理、基本概念;第二章、第三章分別介紹航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及的術(shù)語和不同類型的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu);第四、五、六章論述了航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作、工作特性及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本書由周曉青、金如山兩位老專家組織翻譯,全文文理通順,概念譯述準(zhǔn)確,并配有大量插圖。本書實(shí)用性很強(qiáng),可供空軍地、空勤人員、航空發(fā)動(dòng)機(jī)科技工作者及有關(guān)的大專院校師生使用。