--航空发动机技术；直升机技术；燃气涡轮发动机
--发动机；涡轴发动机；涡桨发动机;
定义与概念:
航空涡轮轴发动机是一种以空气为作功工质的燃气涡轮发动机。它主要是靠输出功率带动负载工作的燃气涡轮发动机，能将动力涡轮有效功率的绝大部分(95%以上)通过输出轴带动负载。涡桨发动机是用燃气涡轮带动螺旋桨的燃气涡轮发动机。涡轴/涡桨发动机与大型涡喷/涡扇发动机的气动热力循环原理基本相同，虽可借助大型燃气涡轮发动机研制所取得的技术成果和经验，但由于涡轴/涡桨发动机属于小型燃气涡轮发动机类，因而在气动和结构上均有其独特之处:
(1)小流量、小通道引起的"尺寸效应"对压气机、涡轮性能及冷却等产生不利影响;
(2)转速高--高转速给临界共振、高速轴承、轴系、支承、叶片盘的疲劳强度等方面都带来一系列新的问题;
(3)流动复杂--小涡轮叶片短叶型使得流动转折加大，三维特性及粘性影响突出;
(4)冷效差--小涡轮叶片短而薄，相对外表面积大，而内部冷却孔型很难布置，且冷气流程短，因而冷却效果随尺寸减小而降低;
(5)需要进气防护装置(粒子分离器)。
涡轴发动机的优点是:
功重比大(500-600kW级的发动机，几乎比活塞发动机高2倍)；发动机维修简单(特别在低温下不需加温起动)；振动小(无往复运动件、发动机转子平衡精度高)；较小的最大截面改善了直升机的气动力性能。所以，从50年代开始涡轴发动机逐步取代活塞式发动机，成为直升机的主要动力装置。当然它也有缺点：动力涡轮转速高，传动旋翼减速比大，造成减速器大而复杂；燃料消耗率一般较活塞式略高；周围介质(空气中的粉尘、湿度、温度)对其工作的影响较大；还有小尺寸的涡轴发动机生产难度大等。随着40多年不断的研究发展、更新换代，现代涡轴发动机具有以下特点:
(1)性能先进：起飞耗油率0.267-0.358kg/(kW/h)；功重比4-8kW/daN;
(2)经济性好：巡航工作状态的耗油率可达0.299-0.367kg/(kW/h)，维护费用低、寿命长(单元体寿命3000-5000h);
(3)可靠性高：发动机提前更换率低、平均故障间隔时间长、性能衰减率低;
(4)有技术发展潜力：具有良好的功率覆盖面和改型的可能性;
(5)环境适用性强：武装直升机动力的防砂能力(一般具有粒子分离器)、红外抑制能力、抗作战损伤和防坠毁能力都比较强。
自1953年罗&罗公司达特发动机投入使用以来，涡桨发动机成为当时民用与军用运输机的一种重要的动力装置。最大的是前苏联的HK12MB，起飞功率达11000kW。涡桨发动机与活塞式发动机相比，可靠性高，重量轻，而燃油经济性又比早期的纯喷气发动机低得多。由于60年代涡扇发动机的出现，涡桨发动机逐步退出大型运输机领域，但在中小型飞机领域仍有广泛应用。
国外概况:
涡轴发动机从1953年莱康明公司研制的第一台生产型发动机T53到今天，已有三代投入使用，第四代正在研制之中。第一代指50年代投产的，第二代指60年代投产的，第三代指70年代末、80年代初投产的，第四代指90年代末或21世纪初投入使用的涡轴发动机。
国外涡轴发动机经过40多年的发展，技术水平有了很大提高:
(1)耗油率降低。第四代涡轴发动机，如美国的T800和西欧的MTR390，其耗油率与第三代涡轴发动机中相同功率级别的"宝石"发动机相比，耗油率降低8%左右，达到0.273kg/(kW/h)。
(2)单位功率增加。由于第三代和第四代涡轴发动机的功率级别不甚相同，因此，采用单位功率作为衡量涡轴发动机的性能指标是最佳方案。40多年来，单位功率一直是稳步提高的。例如，美国50年代的产品，T58发动机的单位功率为166kW/(kg/s)；第二代产品，T64涡轴发动机的单位功率为197kW/(kg/s)；第三代的T700发动机的单位功率为267kW/(kg/s)；而第四代的T800发动机的单位功率达到300kW/(kg/s)，比第一代产品提高81%，比第二代提高52.3%，比第三代提高12.4%。
(3)寿命期费用降低。寿命期费用是全面衡量一种新发动机的经济指标。新的第三代比起其先辈来寿命期费用大大减少，如T700比T58的寿命期费用降低32%。其费用的降低主要来自单元体结构设计和耗油率的减少。
(4)第四代涡轴发动机普遍具有10-20%的功率储备。在发动机轮廓尺寸不变的情况下，可通过增加流量和涡轮进口温度，或者适当加大尺寸，即在压气机前加零级压气机，以提高功率。
(5)采用整体式粒子分离器，提高军用动力的防砂能力。
(6)压气机均为双级离心式，转子稳定性好，零件数量少，便于维修，耐腐蚀，抗外物损伤能力强。
(7)采用回流环形燃烧室和气动雾化喷嘴。
(8)首次在功率小于1000kW的发动机上采用气冷涡轮静子和转子叶片，使涡轮进口温度提高到1420K。
进入21世纪后，涡轴发动机将沿两个方向发展：一是继续提高涡轴发动机循环参数和部件效率，研制性能更好的发动机，二是发展高速旋翼推进技术。下世纪初，涡轴发动机压比将达16-26，涡轮前温度将达1500-1920K。这种发动机有可能仍用3级轴流加1级离心式压气机，总压比达18。燃烧室火焰筒为多层冷却结构。涡轮有可能采用有复杂冷却通道的径向内流式。目前，美国艾
利逊公司研制的高速倾转旋翼机T406，其最大速度已达600km/h。下一步要实
现的最大速度达800km/h以上，主要有倾转旋翼、折叠式旋翼和旋翼-机翼几种方案。
到目前为止，在民用支线动力方面，国外已经成功地研制和使用两代涡桨
发动机。第三代正在研制之中。第一代是指70年代以前投产的，主要有达特、PT6A和TPE331这三种涡桨发动机。功率范围500-1500kW，耗油率0.35-
0.40kg/(kW/h)，翻修寿命8000-14000h，主要用于12-60座的支线飞机。第二
代是指70年代末投产的，主要有PW100、CT7和TPE331-14/15，压比11-17，
涡轮前温度1273-1533K，单位功率达230-240kW/(kg/s)，耗油率0.280-
0.315kg/(kW/h)。第三代是指90年代投入使用的，主要有AE2100和TPF351-20。AE2100是艾利逊公司为竞争下一代高速支线飞机、在T406基础上研制的
功率为4474kW的涡桨发动机。该发动机的主要特点是具有足够的发展潜力，如在改进高压涡轮的情况下，功率可提高到5880kW；海平面静态标准状态下的功
率不会因热天与高空而降低；爬升功率高，可缩短飞机爬升时间。TPF351-20是
美国加雷特公司为20-39座支线飞机研制的、功率为1566kW的推进式涡桨发动机，与该公司早期发动机相比，由于增大了尺寸和采用改进的压气机，其耗油
率降低25%、功重比提高53%。TPF351-20为单元体设计，采用许多成熟技术，
如F109涡轮发动机的压气机技术(目前正在研制新的压气机可使功率提高25%，达1870kW)、TPE331-14的燃烧室与燃气发生器涡轮技术。
目前，国外许多小型涡轮发动机生产厂家为了降低研制成本、减少维护费用，都在努力采用成熟的研制和使用经验，研制涡轴、涡桨和涡扇发动机的"通用核心机"技术，即在一种成熟的涡轴发动机的基础上，研制相应的涡桨和涡扇发动机。如美国艾利逊公司的AE2100涡桨发动机就是以该公司生产的T406涡
轴发动机的"通用核心机"为基础研制的，大大降低研制风险和研制成本。这已
成为国外研制小型燃气涡轮发动机的普遍发展趋势。另外，国外涡轴/涡桨发动机的研制、生产都有单独的计划、由专门的生产厂商或专门的小型燃气涡轮发
动机分部完成，并且有独立于大型燃气涡轮发动机的试验设备和生产设备。
涡轴/涡桨发动机关键技术
(1)组合压气机
涡轴/涡桨发动机要求压气机具有高的总增压比，以获得高的热效率和单位功率。随着增压比的不断提高，压气机的结构形式也由最初的纯轴流式转变成
目前大量采用的若干级轴流加一级离心的组合式压气机。其主要是因为对于高
增压比的小涡轴/涡桨发动机来说，轴流压气机级数的增加使得压气机后几级的"尺寸效应"愈加明显，气流损失增大，气动性能显著下降；而且多级轴流压气机的转子跨度大，也会带来转子动力学上的困难。由于离心压气机的转子结构刚
性更好、抗外物能力更强，尺寸效应对离心压气机的影响不大，因此用它来取
代后面的轴流压气机是有利的。在极小尺寸情况下，有必要全部采用离心压气
机系统。
近年来，国外研究并应用了大量先进气动设计概念以提高小发动机的压气
机效率和平均级压比，其中一些设计思想具有显著的改善性能的潜力:
A、弯掠激波转子
提高转子的转速能有效提高压气机的级压比。但转速的提高会使得气流进
口马赫数加大，从而增强通道激波的强度，气流损失急剧上升，效率大幅下降。降低激波强度的一种方法就是使翼展方向的激波变得更为倾斜。美国著名的压
气机专家Wennerstrom早在80年代就提出，将叶型前缘向后弯掠能使激波变斜。但将它应用到压气机叶型上却不能达到预想的结果。这主要是由于机匣端壁和
临近叶型不允许激波沿着叶型前缘发展。要使这种方法起作用，就必须产生某
种气动体力(bodyforce)以减小机匣和叶栅的影响。目前，国外一些小涡轮发动机生产厂商(如莱康明公司)
已经采用全三维粘性分析法设计弯掠转子叶型，使
其体现要求的体力。试验证明，这种弯掠转子产生的压比超过2.2，多变效率
超过94%。
B、分隔式轴流转子
单级轴流压比超过3的一种方法是在全长叶片后面相间使用短叶片，称之
为分隔式叶片。通过限制叶片尾缘的局部稠度达到所需的高扩压，从而消除叶
片前缘相关的损失。同时，它也能确保叶片的流通能力，在不降低效率的情况
涡轮发动机下提高转子的做功能力。早在70年代，Wennerstrom就应用这个概念来设计增
压比为3的单级。但由于缺乏先进的分析工具，这种设计远达不到它的效率和
喘振边界目标。现在，采用全三维粘性分析法设计级压比超过3的分隔式转子
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