飛行原理及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)原理
動(dòng)力原理：
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) 沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)
升力原理：
飛機(jī)是比空氣重的飛行器，因此需要消耗自身動(dòng)力來(lái)獲得升力。而升力的來(lái)源是飛行中空氣對(duì)機(jī)翼的作用。
在下面這幅圖里，有一個(gè)機(jī)翼的剖面示意圖。機(jī)翼的上表面是彎曲的，下表面是平坦的，因此在機(jī)翼與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流過(guò)上表面的空氣在同一時(shí)間(T)內(nèi)走過(guò)的路程(S1)比流過(guò)下表面的空氣的路程(S2)遠(yuǎn)，所以在上表面的空氣的相對(duì)速度比下表面的空氣快(V1=S1/T >V2=S2/T1)。根據(jù)帕奴利定理——“流體對(duì)周圍的物質(zhì)產(chǎn)生的壓力與流體的相對(duì)速度成反比。”，因此上表面的空氣施加給機(jī)翼的壓力 F1 小于下表面的 F2 。F1、F2 的合力必然向上，這就產(chǎn)生了升力。
從機(jī)翼的原理，我們也就可以理解螺旋槳的工作原理。螺旋槳就好像一個(gè)豎放的機(jī)翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力的合力向前，推動(dòng)螺旋槳向前，從而帶動(dòng)飛機(jī)向前。當(dāng)然螺旋槳并不是簡(jiǎn)單的凸起平滑，而有著復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)。老式螺旋槳是固定的外形，而后期設(shè)計(jì)則采用了可以改變的相對(duì)角度等設(shè)計(jì)，改善螺旋槳性能。
飛行需要?jiǎng)恿?，使飛機(jī)前進(jìn)，更重要的是使飛機(jī)獲得升力。早期飛機(jī)通常使用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，又以四沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為主。這類發(fā)動(dòng)機(jī)的原理如圖，主要為吸入空氣，與燃油混合后點(diǎn)燃膨脹，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)輸出：
單單一個(gè)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率非常有限，因此人們將多個(gè)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)在一起，組成星型或V型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。下圖為典型的星型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)代高速飛機(jī)多數(shù)使用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，原理是將空氣吸入，與燃油混合，點(diǎn)火，爆炸膨脹后的空氣向后噴出，其反作用力則推動(dòng)飛機(jī)向前。下圖的發(fā)動(dòng)機(jī)剖面圖里，一個(gè)個(gè)壓氣風(fēng)扇從進(jìn)氣口中吸入空氣，并且一級(jí)一級(jí)的壓縮空氣，使空氣更好的參與燃燒。風(fēng)扇后面橙紅色的空腔是燃燒室，空氣和油料的混和氣體在這里被點(diǎn)燃，燃燒膨脹向后噴出，推動(dòng)最后兩個(gè)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，最后排出發(fā)動(dòng)機(jī)外。而最后兩個(gè)風(fēng)扇和前面的壓氣風(fēng)扇安裝在同一條中軸上，因此會(huì)帶動(dòng)壓氣風(fēng)扇繼續(xù)吸入空氣，從而完成了一個(gè)工作循環(huán)。
下面給出幾種類型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理圖，轉(zhuǎn)載自
《兵器知識(shí)》網(wǎng)站。
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生
二戰(zhàn)以前，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的組合已經(jīng)取得了極大的成就，使得人類獲得了挑戰(zhàn)天空的能力。但到了三十年代末，航空技術(shù)的發(fā)展使得這一組合達(dá)到了極限。螺旋槳在飛行速度達(dá)到800千米/小時(shí)的時(shí)候，槳尖部分實(shí)際上已接近了音速，跨音速流場(chǎng)使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風(fēng)面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時(shí)隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也會(huì)減小。
這促生了全新的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)體系。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)飛機(jī)向前飛行。
早在1913年，法國(guó)工程師雷恩·洛蘭就提出了沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，并獲得專利。但當(dāng)時(shí)沒(méi)有相應(yīng)的助推手段和相應(yīng)材料，噴氣推進(jìn)只是一個(gè)空想。1930年，英國(guó)人弗蘭克·惠特爾獲得了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)專利，這是第一個(gè)具有實(shí)用性的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。11年后他設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鼻祖。
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，通常由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。
渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)，做功原則同樣為：高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。
工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)首先從進(jìn)氣道吸入空氣。這一過(guò)程并不是簡(jiǎn)單的開(kāi)個(gè)進(jìn)氣道即可，由于飛行速度是變化的，而壓氣機(jī)對(duì)進(jìn)氣速度有嚴(yán)格要求，因而進(jìn)氣道必需可以將進(jìn)氣速度控制在合適的范圍。
壓氣機(jī)顧名思義，用于提高吸入的空氣的的壓力。壓氣機(jī)主要為扇葉形式，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)氣流做功，使氣流的壓力、溫度升高。
隨后高壓氣流進(jìn)入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴射出油料，與空氣混合后點(diǎn)火，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，向后排出?div style="height:15px;">
高溫高壓燃?xì)庀蚝罅鬟^(guò)高溫渦輪，部分內(nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。由于高溫渦輪同壓氣機(jī)裝在同一條軸上，因此也驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而反復(fù)的壓縮吸入的空氣。
從高溫渦輪中流出的高溫高壓燃?xì)?，在尾噴管中繼續(xù)膨脹，以高速?gòu)奈膊繃娍谙蚝笈懦觥＿@一速度比氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的速度大得多，從而產(chǎn)生了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反作用推力，驅(qū)使飛機(jī)向前飛行。
渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)剖視示意圖
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
這類發(fā)動(dòng)機(jī)具有加速快、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是較早實(shí)用化的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)類型。但如果要讓渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)提高推力，則必須增加燃?xì)庠跍u輪前的溫度和增壓比，這將會(huì)使排氣速度增加而損失更多動(dòng)能，于是產(chǎn)生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)油耗大，對(duì)于商業(yè)民航機(jī)來(lái)說(shuō)是個(gè)致命弱點(diǎn)。
渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)
渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生
二戰(zhàn)后，隨著時(shí)間推移、技術(shù)更新，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)顯得不足以滿足新型飛機(jī)的動(dòng)力需求。尤其是二戰(zhàn)后快速發(fā)展的亞音速民航飛機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)，飛行速度要求達(dá)到高亞音速即可，耗油量要小，因此發(fā)動(dòng)機(jī)效率要很高。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率已經(jīng)無(wú)法滿足這種需求，使得上述機(jī)種的航程縮短。因此一段時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)了較多的使用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的大型飛機(jī)。
實(shí)際上早在30年代起，帶有外涵道的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了一些粗糙的早期設(shè)計(jì)。40和50年代，早期渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始了試驗(yàn)。但由于對(duì)風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)制造的要求非常高。因此直到60年代，人們才得以制造出符合渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求的風(fēng)扇葉片，從而揭開(kāi)了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的階段。
50年代，美國(guó)的NACA(即
NASA 美國(guó)航空航天管理局的前身)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了非常重要的科研工作。55到56年研究成果轉(zhuǎn)由
通用電氣公司(GE)繼續(xù)深入發(fā)展。GE在1957年成功推出了CJ805-23型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，立即打破了超音速噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的大量紀(jì)錄。但最早的實(shí)用化的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)則是
普拉特·惠特尼(Pratt & Whitney)公司的JT3D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)際上普·惠公司啟動(dòng)渦扇研制項(xiàng)目要比GE晚，他們是在探聽(tīng)到GE在研制CJ805的機(jī)密后，匆忙加緊工作，搶先推出了了實(shí)用的JT3D。
1960年，羅爾斯·羅伊斯公司的“康威”(Conway)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始被波音707大型遠(yuǎn)程噴氣客機(jī)采用，成為第一種被民航客機(jī)使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。60年代
洛克西德“三星”客機(jī)和波音747“珍寶”客機(jī)采用了
羅·羅公司的RB211-22B大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)志著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的全面成熟。此后渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)迅速的被西方民用航空工業(yè)拋棄。
波音707的軍用型號(hào)之一，KC-135加油機(jī)。不加力式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上較為容易辨認(rèn)，其外部有一直徑很大的風(fēng)扇外殼。
渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理
渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推力有限，同時(shí)影響飛機(jī)提高飛行速度。因此必需提高噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的效率包括熱效率和推進(jìn)效率兩個(gè)部分。提高燃?xì)庠跍u輪前的溫度和壓氣機(jī)的增壓比，就可以提高熱效率。因?yàn)楦邷亍⒏呙芏鹊臍怏w包含的能量要大。但是，在飛行速度不變的條件下，提高渦輪前溫度，自然會(huì)使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時(shí)動(dòng)能損失大。因此，片面的加大熱功率，即加大渦輪前溫度，會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)效率的下降。要全面提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，必需解決熱效率和推進(jìn)效率這一對(duì)矛盾。
渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的妙處，就在于既提高渦輪前溫度，又不增加排氣速度。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上就是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的前方再增加了幾級(jí)渦輪，這些渦輪帶動(dòng)一定數(shù)量的風(fēng)扇。風(fēng)扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，送進(jìn)壓氣機(jī)(術(shù)語(yǔ)稱“內(nèi)涵道”)，另一部分則直接從渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饽芰勘环峙傻搅孙L(fēng)扇和燃燒室分別產(chǎn)生的兩種排氣氣流上。這時(shí)，為提高熱效率而提高渦輪前溫度，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏u輪結(jié)構(gòu)和增大風(fēng)扇直徑，使更多的燃?xì)饽芰拷?jīng)風(fēng)扇傳遞到外涵道，從而避免大幅增加排氣速度。這樣，熱效率和推進(jìn)效率取得了平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低，飛機(jī)航程變得更遠(yuǎn)。
渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
如前所述，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，油耗低，飛機(jī)的航程就遠(yuǎn)。
但渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)復(fù)雜，尤其是如何將風(fēng)扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內(nèi)涵道，是極大的技術(shù)難題。因此只有少數(shù)國(guó)家能研制出渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，中國(guó)至今未有批量實(shí)用化的國(guó)產(chǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格相對(duì)高昂，不適于要求價(jià)格低廉的航空器使用。
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生
早在1913年，法國(guó)工程師雷恩·洛蘭就提出了沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，并獲得專利。但當(dāng)時(shí)沒(méi)有相應(yīng)的助推手段和相應(yīng)材料，只停留在紙面上。1928年，德國(guó)人保羅·施米特開(kāi)始設(shè)計(jì)沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。最初研制出的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壽命短、振動(dòng)大，根本無(wú)法在載人飛機(jī)上使用。
于是1934年時(shí)，施米特和G·馬德林提出了以沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的“飛行炸彈”，于1939年完成了原型。后來(lái)這一設(shè)計(jì)就產(chǎn)生了納粹德國(guó)的V-1巡航導(dǎo)彈。此外納粹德國(guó)還曾試圖將沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)用在戰(zhàn)斗機(jī)上。1941年，特勞恩飛機(jī)實(shí)驗(yàn)所主任、物理學(xué)家歐根·森格爾博士在呂內(nèi)堡野外進(jìn)行了該類型發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，但最終未能產(chǎn)生具有實(shí)用意義的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。
二戰(zhàn)后沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)得到了極大的發(fā)展，為多種的無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈等采用。
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的核心在于“沖壓”兩字。
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道（也稱擴(kuò)壓器）、燃燒室、推進(jìn)噴管三部組成，比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單得多。沖壓是利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速、提高靜壓的過(guò)程。這一過(guò)程不需要高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜的壓氣機(jī)，是沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)所在。進(jìn)氣速度為3倍音速時(shí)，理論上可使空氣壓力提高37倍，效率很高。高速氣流經(jīng)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后，進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒。燃燒后溫度為2000一2200℃，甚至更高，經(jīng)膨脹加速，由噴口高速排出，產(chǎn)生推力。因此，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與進(jìn)氣速度有關(guān)。以3倍音速進(jìn)氣時(shí)，在地面產(chǎn)生的靜推力可高達(dá)2OO千牛。
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)目前分為亞音速、超音速、高超音速三類。亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)以航空煤油為燃料，采用擴(kuò)散形進(jìn)氣道和收斂形噴管，飛行時(shí)增壓比不超過(guò)1.89。馬赫數(shù)小于O.5時(shí)一般無(wú)法工作。超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用超音速進(jìn)氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，采用收斂形或收斂擴(kuò)散形噴管。用航空煤油或烴類作為燃料。推進(jìn)速度為亞音速～6倍音速，用于超音速靶機(jī)和地對(duì)空導(dǎo)彈。高超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用碳?xì)淙剂匣蛞簹淙剂?，是一種新穎的發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行馬赫數(shù)高達(dá)5～16。目前尚處于研制階段。前兩類發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)稱為亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，最后一種稱為超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)。沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與其他推進(jìn)方式結(jié)合后，衍生了多種有特色的發(fā)動(dòng)機(jī)，如火箭/沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)、整體式火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等。下圖為火箭/沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖：
沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、推重比大、成本低。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)帶燃油噴嘴和和點(diǎn)火裝置的筒子。因此常用于無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、導(dǎo)彈等低成本或一次性的飛行器。同時(shí)由于推重比遠(yuǎn)大于其他類型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，非常適合驅(qū)動(dòng)高超音速飛行器，如空天飛機(jī)、先進(jìn)反艦導(dǎo)彈等。
但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有壓氣機(jī)，就不能在地面靜止情況下啟動(dòng)，所以不適合作為普通飛機(jī)的動(dòng)力裝置。通常的解決方法是增加一個(gè)助推器，使飛行器獲得一定的飛行速度，然后再啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。最常見(jiàn)的助推器為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。此外也可由其他飛行器掛載僅裝有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器，飛行到一定速度后，再將僅用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器投放。
中國(guó)C-101超音速反艦導(dǎo)彈，采用兩臺(tái)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。圖中顯示了C-101發(fā)射時(shí)火箭助推器工作的情景。
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)首次正式試飛是在1951年12月。作為直升機(jī)的新型動(dòng)力，兼有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的渦輪軸令直升機(jī)的發(fā)展更進(jìn)一步。當(dāng)時(shí)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)還劃入渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)一類。隨著直升機(jī)的普及和其先進(jìn)性能的體現(xiàn)，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸被視為單獨(dú)的一種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
在1950年時(shí)，
透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)只有一級(jí)離心式葉輪壓氣機(jī)，有兩級(jí)渦輪的輸出軸，功率達(dá)到了206千瓦(280軸馬力)，成為世界上第一臺(tái)實(shí)用的直升機(jī)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。首先裝用這種發(fā)動(dòng)機(jī)的是美國(guó)貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的Bell47(編號(hào)為XH-13F)，1954年該機(jī)首飛。到了50年代中期，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始為直升機(jī)設(shè)計(jì)者所大量采用。
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的原理
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相似，曾經(jīng)被劃入同一分類。它們都由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)演變而來(lái)，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)則驅(qū)動(dòng)直升機(jī)的旋翼軸獲得升力和氣動(dòng)控制力。當(dāng)然渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)也有自己的特色：通常帶有自由渦輪，而其他形式的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一般沒(méi)有自由渦輪。
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分特點(diǎn)，也有著進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管等基本組件。其特有的自由渦輪位于燃燒室后方，高能燃?xì)鈱?duì)自由渦輪作功，通過(guò)傳動(dòng)軸、減速器等帶動(dòng)直升機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)，從而升空飛行。自由渦輪并不像其他渦輪那樣要帶動(dòng)壓氣機(jī)，它專門用于輸出功率，類似于汽輪機(jī)。做功后排出的燃?xì)猓?jīng)尾噴管噴出，能量已經(jīng)不大，產(chǎn)生的推力很小，包含的推力大約僅占總推力的十分之一左右。因此，為了適應(yīng)直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的需要，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)噴口可靈活安排，可以向上，向下或向兩側(cè)，而不一定要向后。盡管渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，帶動(dòng)壓氣機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器渦輪與自由渦輪并不機(jī)械互聯(lián)，但氣動(dòng)上有著密切聯(lián)系。對(duì)這兩種渦輪，在氣體熱能分配上，需要隨飛行條件的改變而適當(dāng)調(diào)整，從而取得發(fā)動(dòng)機(jī)性能與直升機(jī)旋翼性能的最優(yōu)組合。
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)剖視示意圖
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)剖視示意圖
參照渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)理論，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的旋翼的直徑應(yīng)該越大越好。因?yàn)橥粋€(gè)的核心發(fā)動(dòng)機(jī)，所配合的旋翼直徑越大，在旋翼上所產(chǎn)生的升力就越大。但能量轉(zhuǎn)換過(guò)程總是有損耗的，旋翼限于材料品質(zhì)也不可能太大，所以旋翼的直徑是有限制的。以目前的水平計(jì)算，旋翼驅(qū)動(dòng)的空氣流量一般是渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空氣流量的500到1000倍。
直升機(jī)飛得沒(méi)有固定翼飛機(jī)快，最大平飛速度通常在350千米/小時(shí)以下，因此渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)也較為靈活。通常把內(nèi)流進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為收斂形，驅(qū)使氣流在收斂時(shí)加速流動(dòng)，令流場(chǎng)更加均勻。進(jìn)口唇邊呈流線形，適合亞音速流線要求，避免氣流分離，保證壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作。此外，由于直升機(jī)飛得離地面較近，一般必需去除進(jìn)氣中雜質(zhì)，通常都有粒子分離器。粒子分離器可以與進(jìn)氣道設(shè)計(jì)成一體。分離器設(shè)計(jì)為一定螺旋形狀，利用慣性力場(chǎng)，使進(jìn)氣中的砂粒因?yàn)橘|(zhì)量較大，在彎道處獲得較大的慣性力，被甩出主氣流之外，通過(guò)分流排出進(jìn)氣道之外。
MK103型渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)剖視圖，注意其功率輸出軸的布置方式，說(shuō)明了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)布局是相當(dāng)靈活的。
盡管渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量不高，但對(duì)于敵方紅外探測(cè)裝置來(lái)說(shuō)仍然是相當(dāng)客觀的目標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣是直升機(jī)主要熱輻射源之一。作戰(zhàn)直升機(jī)必須減小自身熱輻射強(qiáng)度，要采用紅外抑制技術(shù)。一方面，要設(shè)法降低發(fā)動(dòng)機(jī)外露熱部件的表面溫度，更重要的是，要將外界冷空氣引入并混合到高溫徘氣熱流中，從而降低溫度，沖淡二氧化氯的濃度，降低紅外特征。先進(jìn)的紅外抑制技術(shù)通常將排氣裝置、冷卻空氣道以及發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置作為完整、有效的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。
我們知道，壓氣機(jī)包括分為軸流式和離心式兩種。軸流式壓氣機(jī)，面積小、流量大；離心式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作較穩(wěn)定。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)從純軸流式開(kāi)始，發(fā)展了單級(jí)離心、雙級(jí)離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機(jī)，歷經(jīng)多次變革。目前渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用若干級(jí)軸流加一級(jí)離心構(gòu)成組合壓氣機(jī)，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)渦軸-6、 渦軸-8發(fā)動(dòng)機(jī)為1級(jí)軸流加1級(jí)離心構(gòu)成的組合壓氣機(jī)；“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動(dòng)機(jī)采用5級(jí)軸流加1級(jí)離心壓氣機(jī)。壓氣機(jī)部件主要包括進(jìn)氣導(dǎo)流器、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)靜子及防喘裝置等。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的組合件，軸流式轉(zhuǎn)子葉片呈葉柵排列安裝在工作葉輪周圍，離心式轉(zhuǎn)子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部。壓氣機(jī)靜子由壓氣機(jī)殼體和靜止葉片組成。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片迫使空氣向后流動(dòng)，不僅加速了空氣，而且使空氣受到壓縮，轉(zhuǎn)子葉片后面的空氣壓強(qiáng)大于前面的壓強(qiáng)。氣流離開(kāi)轉(zhuǎn)子葉片后，進(jìn)入起擴(kuò)壓作用的靜子葉片。在靜子葉片的通道，空氣流速降低、壓強(qiáng)升高，得到進(jìn)一步壓縮。一個(gè)轉(zhuǎn)子加一個(gè)靜子稱為一級(jí)。衡量空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)被壓縮的程度，常用壓縮后與壓縮前的壓強(qiáng)之比，即增壓比來(lái)表示。
渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
直升機(jī)最初使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在仍有大量采用。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與之相比，由于具有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，其功率大，重量輕，功率重量比一般在2.5以上。目前渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生高達(dá)6000甚至10000馬力的功率，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎不能做到。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率雖然略高于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，但其使用的航空煤油要比活塞發(fā)動(dòng)機(jī)用的汽油便宜。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)主要在于，制造相對(duì)困難，初始成本也較高。此外，直升機(jī)旋翼的轉(zhuǎn)速較低，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)需要很重很大的減速齒輪系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)，有時(shí)其重量竟占動(dòng)力系統(tǒng)總重量一半以上。而活塞發(fā)動(dòng)機(jī)本身轉(zhuǎn)速較低，傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于一些普及型或超小型的直升機(jī)來(lái)說(shuō)，使用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是較好的選擇。
