直升機(jī)動力裝置技術(shù)特性及發(fā)展趨勢研究

摘" 要：該文簡要介紹直升機(jī)的發(fā)展史，重點(diǎn)闡述活塞式發(fā)動機(jī)與渦軸發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，并對2類動力裝置進(jìn)行對比。隨后，重點(diǎn)研究直升機(jī)動力裝置的選擇方法及動力裝置與直升機(jī)的匹配。最后，對渦軸發(fā)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。渦軸發(fā)動機(jī)以其顯著的優(yōu)勢在各類直升機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，但其經(jīng)濟(jì)性及制造成本等因素依然有待改善，尚無法完全取代活塞式發(fā)動機(jī)，而后者多用于小型直升機(jī)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；渦軸發(fā)動機(jī)；活塞式發(fā)動機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；內(nèi)燃機(jī)；熱力發(fā)動機(jī)

中圖分類號：V275.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0030-07

Abstract： This paper briefly introduces the development history of helicopters， focuses on the technical characteristics of piston engines and turboshaft engines， and compares the two types of power plants. Then， the selection method of helicopter power unit and the matching of power unit and helicopter are studied. Finally， the technical development trend of turboshaft engine is prospected. Turboshaft engine has been widely used in various helicopters with its remarkable advantages， but its economy and manufacturing cost and other factors still need to be improved， and it can not completely replace piston engine， which is mostly used in small helicopters.

Keywords： aero-engine; turboshaft engine; piston engine; gas turbine; internal combustion engine; thermal engine

20世紀(jì)初，自美國萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)之后，人類飛上藍(lán)天的夢想得以實(shí)現(xiàn)。然而，人類想垂直離開地面并在空中懸停的設(shè)想，直到20世紀(jì)40年代直升機(jī)正式發(fā)明之后才成為現(xiàn)實(shí)。和飛機(jī)這類固定翼式航空器相比[1]，直升機(jī)的誕生晚了40余年，充分說明了直升機(jī)技術(shù)規(guī)律的獨(dú)特性與復(fù)雜性。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，對直升機(jī)的使用需求在一定程度上推動了其發(fā)展進(jìn)程。首先是軍事上的需要，在20世紀(jì)40年代，主要發(fā)展了可用于通信聯(lián)絡(luò)的輕型直升機(jī)。在20世紀(jì)50年代的朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國將直升機(jī)廣泛用于突擊登陸、后勤支援、救護(hù)運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)中。直升機(jī)作為一類不需要機(jī)場和道路的空中運(yùn)輸工具，在一系列任務(wù)中扮演了重要角色。直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)中的成功表現(xiàn)，改變了陸地戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)觀點(diǎn)，從而又一次引起各國軍方對直升機(jī)的重視，包括美國在內(nèi)的各軍事工業(yè)強(qiáng)國都致力于改善直升機(jī)技術(shù)，以及提高直升機(jī)的運(yùn)載能力，使直升機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展。

隨后，在阿爾及利亞、越南、中東等戰(zhàn)爭中，更進(jìn)一步驗(yàn)證了直升機(jī)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的效果，使其由運(yùn)輸工具演變成擔(dān)負(fù)對地攻擊任務(wù)的飛行器，相應(yīng)地又對直升機(jī)提出了許多新要求。為此，各國首先在通用型直升機(jī)上加裝了武器設(shè)備，而后又研制出了專門的武裝直升機(jī)，以便更有效地攻擊地面火力點(diǎn)、運(yùn)輸工具、坦克等軍事設(shè)備。

考慮到直升機(jī)自身的優(yōu)勢及其日益廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，本文重點(diǎn)對直升機(jī)動力裝置展開相關(guān)研究。

1" 直升機(jī)動力裝置特性分析與對比

1.1" 活塞式發(fā)動機(jī)在直升機(jī)上的應(yīng)用

20世紀(jì)50年代初期，直升機(jī)多采用活塞式發(fā)動機(jī)作為動力來源。自1953年出現(xiàn)配裝渦軸發(fā)動機(jī)的直升機(jī)之后，活塞式發(fā)動機(jī)逐漸被取代，除所需功率小于250 kW的小型直升機(jī)外，新設(shè)計(jì)的直升機(jī)基本都采用渦軸發(fā)動機(jī)。同時，也有部分直升機(jī)將已配裝的活塞式發(fā)動機(jī)直接換裝為渦軸發(fā)動機(jī)，以改善動力性能[2]。目前，飛行重量大于1 200 kg的直升機(jī)基本已不再采用活塞式發(fā)動機(jī)。但由于活塞式發(fā)動機(jī)有著燃油消耗率低、技術(shù)成熟、成本低、經(jīng)濟(jì)性好，以及易于實(shí)現(xiàn)高空增壓等優(yōu)點(diǎn)[3]，依然受到小型直升機(jī)的青睞。

1.2" 影響活塞式發(fā)動機(jī)功率的參數(shù)

影響活塞式發(fā)動機(jī)功率的因素很多，主要有：活塞式發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門開度、外界大氣溫度和濕度及飛行高度等。此外，還與發(fā)動機(jī)的空燃比及排氣系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)。下面分析活塞式發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及油門開度這2類參數(shù)對功率的影響。

1.2.1" 活塞式發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速

隨著轉(zhuǎn)速增加，活塞式發(fā)動機(jī)的功率也會相應(yīng)增加，機(jī)組通常采用恒定轉(zhuǎn)速。因?yàn)槿绻O(shè)定的轉(zhuǎn)速過高，使發(fā)動機(jī)長期在高負(fù)荷下工作，則會縮短發(fā)動機(jī)的壽命；如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速過低，使發(fā)動機(jī)輸出的功率較低，則會影響直升機(jī)性能，特別是起飛性能。因此，在設(shè)定發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速時要注意這一點(diǎn)。

1.2.2" 油門開度

隨著油門開度的增加，活塞式發(fā)動機(jī)的功率也會相應(yīng)增加。但當(dāng)油門開度大于80%后，這一數(shù)值即使繼續(xù)增大，發(fā)動機(jī)功率的增加效果也并不明顯。當(dāng)直升機(jī)處于懸停工況時，一旦活塞式發(fā)動機(jī)所輸出的功率低于直升機(jī)所需功率時，就會出現(xiàn)飛行高度下降的現(xiàn)象，在使用時需要特別注意。

1.3" 渦軸發(fā)動機(jī)與活塞式發(fā)動機(jī)的對比

正如上文所述，早期直升機(jī)均采用活塞式發(fā)動機(jī)，自1953年出現(xiàn)配裝渦軸發(fā)動機(jī)的直升機(jī)后，活塞式發(fā)動機(jī)已逐漸被替代。渦軸發(fā)動機(jī)可被視為一類用于航空器推進(jìn)領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)。與活塞式發(fā)動機(jī)相比，渦軸發(fā)動機(jī)的主要特點(diǎn)如下。

1.3.1" 比功率大

直升機(jī)用的活塞式發(fā)動機(jī)比重量一般為0.6～1.4 kg/kW。而渦軸發(fā)動機(jī)僅為其重量的1/3～1/5。由于渦軸發(fā)動機(jī)自身比重量較小，使得附屬系統(tǒng)的重量也隨之減輕。渦軸發(fā)動機(jī)無須外部冷卻系統(tǒng)（如風(fēng)扇及風(fēng)道等設(shè)備），進(jìn)排氣系統(tǒng)得以簡化。渦軸發(fā)動機(jī)的潤滑系統(tǒng)同樣有著重量較輕的優(yōu)勢?？傮w而言，由于整個動力裝置重量較輕，可使直升機(jī)的飛行效率提高10%以上。

1.3.2" 體積小

由于渦軸發(fā)動機(jī)體積輕小，對直升機(jī)的總體布置也大有裨益，從而可在機(jī)身上安裝2臺及以上的渦軸發(fā)動機(jī)。

1.3.3" 便于啟動、振動小

渦軸發(fā)動機(jī)易于啟動，暖機(jī)時間通常不到1 min，而活塞式發(fā)動機(jī)往往需要10 min左右。同時，渦軸發(fā)動機(jī)本身的振動幅度較小，從而大幅降低了整個直升機(jī)的振動，也改善了傳動系統(tǒng)的性能。

1.3.4" 燃油消耗特性

在高負(fù)荷工況下，渦軸發(fā)動機(jī)燃油消耗率最低，隨著輸出功率的降低，燃油消耗率反而逐漸加大。而在部分負(fù)荷工況下，活塞式發(fā)動機(jī)的燃油消耗率則更低。燃油消耗率的這種變化情況對渦軸發(fā)動機(jī)十分不利。為了在一定的續(xù)航里程或續(xù)航時間下降低燃油消耗總量，要求渦軸發(fā)動機(jī)燃油消耗率最低的工況點(diǎn)處于直升機(jī)的巡航工況（也可稱為最經(jīng)濟(jì)工況），而這時直升機(jī)所需的功率明顯小于懸停工況及高速飛行時所需的功率。換言之，此時動力裝置必然會在部分負(fù)荷工況下工作。

對于活塞式發(fā)動機(jī)而言，其燃油消耗率最低的工況點(diǎn)正好處在部分負(fù)荷工況下，而此時渦軸發(fā)動機(jī)的燃油消耗率較大。在大氣溫度較高的條件下，直升機(jī)會存在一定的懸停升限。由于渦軸發(fā)動機(jī)溫度特性較差，必然要選擇性能更好的機(jī)型。在直升機(jī)以巡航工況飛行時，渦軸發(fā)動機(jī)將在功率更低的工況下運(yùn)作。為了改善這一情況，最切實(shí)可行的辦法是采用2臺及以上的渦軸發(fā)動機(jī)。在巡航飛行時可以使部分機(jī)組停止運(yùn)行，其余發(fā)動機(jī)則在高負(fù)荷工況下運(yùn)作，從而進(jìn)一步降低燃油消耗率。

通常而言，在裝有渦軸發(fā)動機(jī)的直升機(jī)上，為了減少燃油消耗率并延長續(xù)航里程，其巡航速度會更接近最高速度。盡管在低負(fù)荷工況下，渦軸發(fā)動機(jī)的燃油消耗率較高，但由于其總重量較小，提高了直升機(jī)的飛行效率，直升機(jī)的有效載荷仍然可以大幅提高。

1.3.5" 實(shí)際應(yīng)用情況

綜合上文所述，渦軸發(fā)動機(jī)與活塞式發(fā)動機(jī)的對比見表1。

從表1的對比中可以看出，渦軸發(fā)動機(jī)的大部分指標(biāo)均優(yōu)于活塞式發(fā)動機(jī)。但正如前文所述，在低負(fù)荷工況下，渦軸發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)和渦輪效率較低，燃油消耗率較高，使用經(jīng)濟(jì)性尚不如活塞式發(fā)動機(jī)。目前，活塞式發(fā)動機(jī)的總成本僅為渦軸發(fā)動機(jī)的40%左右。配裝有活塞式發(fā)動機(jī)的直升機(jī)的單位重量成本也僅為配裝渦軸發(fā)動機(jī)的直升機(jī)的40%左右。同時，隨著新型活塞式發(fā)動機(jī)（如汪克爾發(fā)動機(jī)等旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機(jī)）的出現(xiàn)[4-5]，使活塞式發(fā)動機(jī)在小型直升機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。

2" 定軸渦輪發(fā)動機(jī)和自由渦輪發(fā)動機(jī)的對比

依據(jù)動力渦輪和壓氣機(jī)之間聯(lián)系方式的不同，渦軸發(fā)動機(jī)可分為定軸渦輪（單軸式）和自由渦輪（雙軸式）2類。其主要區(qū)別是定軸渦輪發(fā)動機(jī)的動力渦輪和壓氣機(jī)之間采用機(jī)械方式相連；自由渦輪發(fā)動機(jī)的動力渦輪和壓氣機(jī)之間則采用氣動方式相連，在傳動系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)特性等方面也存在一些差異。

2.1" 渦軸發(fā)動機(jī)與旋翼的轉(zhuǎn)速特性

要實(shí)現(xiàn)旋翼的轉(zhuǎn)速變化可以有2種不同的方法：①將傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)成傳動比可變的型式；②通過調(diào)整渦軸發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變旋翼的轉(zhuǎn)速。顯然前者并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閺臉?gòu)造角度來說很難實(shí)現(xiàn)，并且會使傳動系統(tǒng)的重量大幅增加。如果通過調(diào)整渦軸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，則必須考慮到整機(jī)可用功率，以及燃油消耗率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。渦軸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，其可用功率也會出現(xiàn)較明顯的下降。為此，盡管旋翼所需的功率有所降低，懸停升限及使用升限等性能也很難有所改善，甚至?xí)m得其反。

渦軸發(fā)動機(jī)所容許的轉(zhuǎn)速變化范圍不應(yīng)過小，如范圍過小則不會有實(shí)際意義。渦軸發(fā)動機(jī)容許的轉(zhuǎn)速變化范圍和其限制條件有關(guān)，不同機(jī)型在穩(wěn)定工作時的轉(zhuǎn)速限制條件會有所不同。通常而言，主要受以下因素限制。

1）渦輪前燃?xì)鉁囟鹊南拗?。渦輪葉片和導(dǎo)向器葉片都有一定的高溫負(fù)荷極限，過高會使葉片出現(xiàn)裂紋甚至引起斷裂，因而應(yīng)對該溫度進(jìn)行一定的限制。

2）燃?xì)獍l(fā)生器與自由渦輪的最高轉(zhuǎn)速限制。壓氣機(jī)、燃?xì)獍l(fā)生器渦輪及自由渦輪都有一定的最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，工作時不應(yīng)超過該數(shù)值。

3）壓氣機(jī)喘振限制。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速降低偏離設(shè)計(jì)工況后，會產(chǎn)生氣流分離而發(fā)生喘振現(xiàn)象，從而限制了轉(zhuǎn)速的降低，使正常轉(zhuǎn)速范圍變窄。

4）燃燒不穩(wěn)定和熄火限制。由于供油減少較快，而轉(zhuǎn)速尚未降低，會使燃燒室出現(xiàn)貧油燃燒現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致熄火，這將對低功率下的穩(wěn)定工作過程產(chǎn)生限制。

5）等扭矩限制。發(fā)動機(jī)功率輸出軸、主減速器及旋翼都有一定的設(shè)計(jì)扭矩要求。因此，功率和轉(zhuǎn)速必須同時降低，以避免轉(zhuǎn)速降低時扭矩反而增大。

自由渦輪發(fā)動機(jī)是一類比較理想的機(jī)型。當(dāng)其功率輸出軸的轉(zhuǎn)速與自由渦輪一起改變時，壓氣機(jī)同渦輪的轉(zhuǎn)速可以保證不變，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的工作影響較小。因此，這種發(fā)動機(jī)輸出軸所容許的轉(zhuǎn)速變化范圍很寬，轉(zhuǎn)速降低的唯一限制是輸出軸所能承受的最大扭矩（也會受直升機(jī)傳動系統(tǒng)扭矩的限制）。

對于活塞式發(fā)動機(jī)而言，在正常工況下，其能維持較寬的轉(zhuǎn)速范圍。在轉(zhuǎn)速下降時，可用功率會顯著降低，但燃油消耗率也會有所降低。因此，無法通過降低轉(zhuǎn)速來改善懸停升限、使用升限或最大爬升速度等性能，這時可用功率的降低幅度往往大于所需功率。但是從改善續(xù)航里程及續(xù)航時間等性能或降低攜帶燃油重量的角度來看，降低轉(zhuǎn)速是合理的。因此，裝有活塞式發(fā)動機(jī)的直升機(jī)，在起飛及爬升時往往會以高轉(zhuǎn)速（起飛轉(zhuǎn)速）工作，而在巡航飛行時則以較低的轉(zhuǎn)速（巡航轉(zhuǎn)速）工作?？傊?，自由渦輪發(fā)動機(jī)能較好地滿足變轉(zhuǎn)速的要求。在一定的續(xù)航里程或續(xù)航時間要求下，在巡航飛行時降低轉(zhuǎn)速就可以減少燃油消耗率。在一定的懸停升限及使用升限的要求下，降低轉(zhuǎn)速可以減少所需功率，可選擇功率較小的發(fā)動機(jī)，從而提高直升機(jī)的負(fù)荷率及燃油經(jīng)濟(jì)性。這也是自由渦輪發(fā)動機(jī)的主要特點(diǎn)。

由于自由渦輪發(fā)動機(jī)具有較好的旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性[6]，可以在較寬的范圍改善直升機(jī)的性能。在經(jīng)濟(jì)工況下，轉(zhuǎn)速的下降會受槳葉氣流分離的限制。在該情況下，旋翼的旋轉(zhuǎn)動能就會顯著降低，不足以應(yīng)付發(fā)動機(jī)停車時的應(yīng)急需要。因此，旋翼轉(zhuǎn)速并不能無限制地下降到理想數(shù)值，而會高于該理想轉(zhuǎn)速。由于其他方面的原因，旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的收益也會受到一定的限制。例如，旋翼轉(zhuǎn)速降低且比功率下降得較快時，軸上扭矩將會增大，如果按等扭矩線來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，懸停時的收益將不復(fù)存在。又如旋翼轉(zhuǎn)速變化過寬時，會受到振動特性限制。因此，旋翼的轉(zhuǎn)速變化一般不應(yīng)超過最高轉(zhuǎn)速的10%～15%。

這些限制會隨著技術(shù)進(jìn)展而變化，但即便如此，變轉(zhuǎn)速旋翼已帶來了明顯的收益。總體而言，可對旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)是自由渦輪發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一，但在其實(shí)際使用過程中，需要全面考慮各種因素，并會受到一定限制。為簡化調(diào)節(jié)及駕駛過程，部分直升機(jī)的旋翼轉(zhuǎn)速不會發(fā)生改變。

2.2" 渦軸發(fā)動機(jī)與旋翼的轉(zhuǎn)速-扭矩特性

當(dāng)旋翼所需功率超過渦軸發(fā)動機(jī)所能輸出的最高功率時，旋翼轉(zhuǎn)速下降，旋翼上可用扭矩及升力的變化特性即為轉(zhuǎn)速-扭矩特性。該特性與飛行員操縱動作的簡易性及飛行安全性有關(guān)，也與渦軸發(fā)動機(jī)自身的功率儲備有關(guān)。

由于負(fù)責(zé)輸出功率的自由渦輪和壓氣機(jī)之間不存在機(jī)械聯(lián)系，因此，自由渦輪輸出功率受旋翼轉(zhuǎn)速的影響較小。而定軸渦輪則不然，其輸出功率會隨旋翼轉(zhuǎn)速的降低而急劇下降，反而可能會造成事故。為此，需要將定軸渦輪發(fā)動機(jī)的效率設(shè)計(jì)得較高，有時可達(dá)20%～30%，平時使用較低的燃?xì)鉁囟龋@樣會使常用工作狀態(tài)下的壓氣機(jī)效率降低，也增加了系統(tǒng)總重量。當(dāng)所需功率超過自由渦輪發(fā)動機(jī)所能輸出的最高功率時，轉(zhuǎn)速雖然會下降，但扭矩和旋翼升力反而增大，這對飛行安全性是較為有利的。

2.3" 對傳動系統(tǒng)的影響

對于定軸渦輪發(fā)動機(jī)而言，在機(jī)體和主減速器之間必須配備有啟動離合器，以確保啟動時能使兩者脫開，啟動后再可靠地將功率傳遞到旋翼。而對于自由渦輪發(fā)動機(jī)而言，由于旋翼和發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)之間不存在機(jī)械聯(lián)系，因此無須配備啟動離合器。

同樣，為保證發(fā)動機(jī)停車時能使旋翼實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，因此在采用了定軸渦輪發(fā)動機(jī)和自由渦輪發(fā)動機(jī)的直升機(jī)上，通常都會配備有自由轉(zhuǎn)動離合器。

2.4" 對多臺發(fā)動機(jī)并車的影響

由于在定軸渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，功率下降也較快。因此，發(fā)動機(jī)通常都按固定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)（可通過調(diào)速器調(diào)節(jié)，且有一定調(diào)節(jié)精度）。對于配裝了2臺發(fā)動機(jī)的直升機(jī)而言，即便經(jīng)調(diào)試后，2臺發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速也不可能完全相同。為避免這一缺點(diǎn)，可以采用調(diào)速器，且以并車后的轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)，同時調(diào)節(jié)2臺發(fā)動機(jī)的供油系統(tǒng)。但由于燃油供給系統(tǒng)中只有1個調(diào)節(jié)器，一旦該調(diào)節(jié)器失靈，就會失去雙發(fā)動機(jī)安全性較高的優(yōu)勢。

3" 直升機(jī)動力裝置類型選擇及分析研究

動力裝置特性的優(yōu)劣對直升機(jī)的使用性能會產(chǎn)生較大影響。在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)過程中，會遇到相關(guān)問題，即選用哪種類型的發(fā)動機(jī)能最有效地滿足直升機(jī)的技術(shù)要求。因此，在對直升機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時，必須深入了解直升機(jī)各類動力裝置的性能和特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)正確選擇，從而使動力裝置與直升機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

為了提高直升機(jī)有效載荷所占比例，一方面要設(shè)法延長續(xù)航里程及續(xù)航時間；另一方面還要在上述前提下，盡量降低燃油消耗率。為此，提升直升機(jī)動力裝置的效率可謂迫在眉睫。自問世以來，直升機(jī)用渦軸發(fā)動機(jī)得到了長足發(fā)展，性能也在持續(xù)改進(jìn)過程中，并且已經(jīng)歷了數(shù)代發(fā)展期。

為確保能在山區(qū)及高空地區(qū)使用，直升機(jī)動力裝置應(yīng)具有良好的高空性能。對活塞式發(fā)動機(jī)而言，為確保發(fā)動機(jī)在高空中依然能輸出一定的有效功率，除了采用較高的功率儲備外，通常還會使用增壓器（機(jī)械增壓器或廢氣渦輪增壓器）來提高進(jìn)氣密度，并減緩功率的下降。對采用渦軸發(fā)動機(jī)的直升機(jī)而言，為確保良好的高空性能，常采用限制渦軸發(fā)動機(jī)功率的方法。此時，渦軸發(fā)動機(jī)的高度特性和重量雖未變化，但由于傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)載荷有所減少，總重量得以減輕，一定程度上確保了直升機(jī)的高空性能。

在冬季低溫時，活塞式發(fā)動機(jī)所采用的潤滑油黏度增大，需要采用加溫暖機(jī)的方式。渦軸發(fā)動機(jī)也有相應(yīng)的最低空載轉(zhuǎn)速，以確保燃燒過程的持續(xù)進(jìn)行。如低于此轉(zhuǎn)速，則需使用啟動裝置進(jìn)行輔助驅(qū)動。如采用電瓶啟動方案，在低溫條件下，電瓶的放電能力會有所減弱，影響機(jī)組啟動能力。在大型直升機(jī)上，為避免攜帶過多的啟動電瓶，通常會在機(jī)上裝有50～80 kW的小型渦輪輔助動力裝置，可先使用較小的啟動設(shè)備驅(qū)動輔助動力裝置，再由輔助動力裝置向主發(fā)動機(jī)提供能源，以確保主發(fā)動機(jī)的順利啟動。同時，還需要在不啟動主發(fā)動機(jī)，且僅利用輔助動力裝置的情況下，檢查液壓、電氣等系統(tǒng)能否處于正常運(yùn)作狀態(tài)。

一般而言，動力裝置的壽命可分為3種：①保證壽命——制造廠商確保動力裝置不發(fā)生停車事故的使用期限；②修理壽命——經(jīng)修理后，由修理廠商確保的使用期限；③總技術(shù)壽命——經(jīng)多次修理后，動力裝置的總使用期限。若超過總技術(shù)壽命后而繼續(xù)修理，則會降低經(jīng)濟(jì)性，或存在技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的問題。通常而言，活塞式發(fā)動機(jī)的保證壽命不長于1 000～1 500 h，而不同渦輪發(fā)動機(jī)的保證壽命則有所不同。其中，渦槳發(fā)動機(jī)的保證壽命約為6 000 h左右，渦軸發(fā)動機(jī)的保證壽命約為1 500～2 000 h（這是因?yàn)橹鄙龣C(jī)用的渦軸發(fā)動機(jī)工作條件比較惡劣）。從目前渦軸發(fā)動機(jī)的發(fā)展情況來看，其緊湊性已達(dá)到一定的水平，更重要的是提升渦軸發(fā)動機(jī)的可靠性，延長使用壽命和簡化使用維護(hù)工作。

與活塞式發(fā)動機(jī)相比，渦軸發(fā)動機(jī)的使用與維護(hù)過程更為簡便。特別是近年來采用單元體設(shè)計(jì)和視情維修技術(shù)后，渦軸發(fā)動機(jī)的可維修性有了顯著提升。但渦軸發(fā)動機(jī)易受沙塵磨損，且高溫部件多，需要特別注意防火安全。

動力裝置的總成本約占直升機(jī)總成本的20%，是最昂貴的部件之一，對其經(jīng)濟(jì)性必須予以重視。動力裝置的使用經(jīng)濟(jì)性還與燃油價格有關(guān)。通常而言，渦軸發(fā)動機(jī)多使用航空煤油，活塞式發(fā)動機(jī)多使用航空汽油[7]，前者成本約為后者的40%～50%。此外，還應(yīng)考慮到動力裝置的潤滑油消耗率[8]。通常而言，活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油消耗量約為燃油的10%，明顯高于渦軸發(fā)動機(jī)。

4" 動力裝置與直升機(jī)的匹配

渦軸發(fā)動機(jī)的功率、燃油消耗率、油耗，以及表征發(fā)動機(jī)工作過程的其他參數(shù)和使用條件間的關(guān)系稱為使用特性。

4.1" 節(jié)流特性和發(fā)動機(jī)的工況

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速由油門桿控制，而隨著外部負(fù)荷的變化，動力渦輪轉(zhuǎn)速可保持不變。當(dāng)油門加大時，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪前溫度及動力渦輪功率均會隨之增大，而燃油消耗率則會相應(yīng)降低。

4.1.1" 小油門工況（慢車工況）

慢車工況主要用于發(fā)動機(jī)啟動后的暖機(jī)工作，或空中的自由飛行工況。此時的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速約為起飛時的55%～65%，功率不高于額定工況的10%～20%。由于此時燃油消耗率較大、冷卻系統(tǒng)工作效果較差且發(fā)動機(jī)振動應(yīng)力較大，所以該工況的持續(xù)時間有一定限制，無法長期維持下去。

4.1.2" 額定工況

額定工況主要用于爬升，以及正常地面條件下的起飛或懸停等過程。由于該工況下的燃油消耗率低于巡航工況，因此可實(shí)現(xiàn)最低的燃油消耗率，以實(shí)現(xiàn)最大續(xù)航里程。但由于該工況下的持續(xù)工作時間有限，一般規(guī)定不應(yīng)超過30 min，亦有規(guī)定不超過1 h的。額定功率一般為起飛功率的85%～90%。

從理論上講，直升機(jī)飛行時的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)應(yīng)與發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)保持一致，這樣發(fā)動機(jī)和直升機(jī)才能處于最佳工作狀態(tài)[9]。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，往往很難處于這種最佳匹配狀態(tài)，而且不同直升機(jī)的要求也不盡相同。例如，對武裝直升機(jī)的飛行速度和機(jī)動性要求比較高，因此要求動力裝置能輸出較高功率；而對運(yùn)輸類直升機(jī)而言，考慮到其經(jīng)濟(jì)性要求，在巡航工況下，發(fā)動機(jī)的燃油消耗率應(yīng)盡可能低。因此，發(fā)動機(jī)功率的選擇過程需要依據(jù)直升機(jī)類型的不同，并權(quán)衡比較各方面得失而定。

對于活塞式發(fā)動機(jī)，不同工況下的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速均不相同。因此，旋翼的槳尖速度也不相同，在估算所需功率時必須注意。

4.1.3" 飛行高度的影響

高度增加后，由于空氣密度降低，無法確保直升機(jī)能以相同的總重量懸?；蚱痫w，其有效載荷將下降，燃油消耗率也將增大。為改善高空使用性能，需要相應(yīng)提升發(fā)動機(jī)功率，并按高空條件進(jìn)行匹配，在低空則限制其功率使用。同樣，為改善直升機(jī)的高空性能，需采用高功率發(fā)動機(jī)，并使其以低負(fù)荷運(yùn)行，從而得到較好的效果。

現(xiàn)實(shí)中，經(jīng)常遇到需要在低空及溫度為40 ℃的環(huán)境下使用的情況，同樣也會有需要在海拔2 000～3 000 m高空下使用的情況。這2種情況對發(fā)動機(jī)功率增大的需求大致相近。因此，在多用途直升機(jī)上常會保留20%～30%的功率儲備，以滿足上述需求。

4.2" 發(fā)動機(jī)特性參數(shù)對直升機(jī)主要性能的影響

實(shí)際工作中，時常需要分析發(fā)動機(jī)特性參數(shù)對直升機(jī)特性的影響，具體如下。

1）不改變現(xiàn)有直升機(jī)的總重等參數(shù)，而用同樣功率但特性參數(shù)不同的發(fā)動機(jī)替換原發(fā)動機(jī)。

2）在研制具有一定有效載荷和續(xù)航里程的新直升機(jī)時，如改變發(fā)動機(jī)的特性參數(shù)時，往往會得到新的總重和功率。

如改用高參數(shù)的發(fā)動機(jī)，直升機(jī)性能可得到改善，主要有以下2個原因：一是可減輕發(fā)動機(jī)重量，并可以增加有效載荷或燃油攜帶量，以此增加續(xù)航里程；二是在同樣續(xù)航里程下，減少燃油消耗率亦可增加有效載荷，或在同樣有效載荷下增加續(xù)航里程。在設(shè)計(jì)新直升機(jī)時，更傾向于采用特性參數(shù)較高的發(fā)動機(jī)。

4.3" 直升機(jī)動力裝置數(shù)量選擇方案研究

對于縱列式直升機(jī)而言，由于機(jī)身容積較大，安裝2臺發(fā)動機(jī)并不困難。在采用渦軸發(fā)動機(jī)時，可以有單發(fā)動機(jī)、雙發(fā)動機(jī)，以及多發(fā)動機(jī)等不同方案。通常而言，發(fā)動機(jī)功率越大，其比重量及燃油消耗率會越小。從這個角度來看，采用單發(fā)動機(jī)比較有利，傳動系統(tǒng)也會更簡單。但如果要求確保直升機(jī)的安全性能，采用雙發(fā)動機(jī)或三發(fā)動機(jī)會得到更好的效果。此外，還能以單發(fā)動機(jī)（或雙發(fā)動機(jī)）實(shí)現(xiàn)巡航飛行，以此降低燃油消耗率。

目前，一般中型及重型直升機(jī)都采取雙發(fā)動機(jī)以至三發(fā)動機(jī)的方案，這樣可采用較大的載荷，以減輕結(jié)構(gòu)重量并縮小直升機(jī)外廓尺寸，同時又能較好地確保飛行安全性。

輕型直升機(jī)則有所不同。一方面從重量效率、總體布置、外廓尺寸等角度來看，可以選擇較小的載荷，因而易于實(shí)現(xiàn)一定的飛行速度。另一方面，目前低功率的渦軸發(fā)動機(jī)型號依然較少，而且功率越低，渦軸發(fā)動機(jī)的比重量等性能參數(shù)往往越差。因此，目前輕型直升機(jī)一般都采用單發(fā)動機(jī)的方案。

5" 渦軸發(fā)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)于20世紀(jì)40年代中期誕生，并成功應(yīng)用到飛機(jī)上后，渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)的同類機(jī)型——渦槳發(fā)動機(jī)也隨之在20世紀(jì)50年代登上歷史舞臺，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了用于直升機(jī)的渦軸發(fā)動機(jī)。

正如上文所述，與活塞式發(fā)動機(jī)相比，渦軸發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢較為突出：結(jié)構(gòu)簡單、部件少、可靠性高、使用范圍廣、振動幅度小、操縱簡單、啟動容易、翻修壽命長、功率高及比功率相對較高?？紤]到以上優(yōu)勢，渦軸發(fā)動機(jī)的發(fā)展也較為迅速，并已得到廣泛應(yīng)用[10]。

鑒于渦軸發(fā)動機(jī)的這些突出優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)50年代初，美國及歐洲的許多公司都開始研制渦軸發(fā)動機(jī)，其中以美、法等國取得的成就最高。在20世紀(jì)60年代的越南戰(zhàn)爭和前后幾次中東戰(zhàn)爭中，裝有渦軸發(fā)動機(jī)的武裝直升機(jī)有突出表現(xiàn)，彰顯了其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要性，并引領(lǐng)著直升機(jī)動力技術(shù)的發(fā)展潮流。目前，渦軸發(fā)動機(jī)的主要發(fā)展趨勢如下[11]。

1）持續(xù)提高壓氣機(jī)的總增壓比和進(jìn)氣口溫度，并使燃油消耗率進(jìn)一步降至與活塞式發(fā)動機(jī)相近的水平。

2）進(jìn)一步優(yōu)化渦軸發(fā)動機(jī)的性能，使其總功率和比功率同時提高，從而提升直升機(jī)的機(jī)動性。

3）改善渦軸發(fā)動機(jī)的可靠性和可維護(hù)性，目前普遍采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和視情維修的方案，以提高軍用直升機(jī)的戰(zhàn)斗完好率和作戰(zhàn)效能。

4）普遍采用進(jìn)氣防護(hù)裝置和紅外抑制器，以大幅提升直升機(jī)的生存能力。

5）實(shí)現(xiàn)從機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)向數(shù)字電子控制系統(tǒng)的過渡，以降低駕駛員的操縱工作負(fù)荷，同時減輕發(fā)動機(jī)重量，并對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化。

6）延長部件壽命，降低發(fā)動機(jī)全壽命內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用。

6" 結(jié)論

直升機(jī)作為一類重要的航空器，在日常生活及國防事業(yè)中均扮演著重要角色。動力裝置作為直升機(jī)的主要組成部分，其重要性同樣不言而喻。本文經(jīng)研究分析，得出如下結(jié)論。

1）相比飛機(jī)等固定翼式航空器，直升機(jī)以其特殊的性能，未來依然將會在日常生活及國防事業(yè)中扮演重要角色，針對其開展的科學(xué)研究及技術(shù)實(shí)驗(yàn)依然有著一定的必要性與緊迫性。

2）相比于活塞式發(fā)動機(jī)，渦軸發(fā)動機(jī)以其較好的動力性、緊湊性、啟動性，以及較低的振動幅度，在未來將會作為直升機(jī)主要動力裝置而得到發(fā)展。

3）在燃油經(jīng)濟(jì)性及制造成本等方面，渦軸發(fā)動機(jī)的性能依然有待提升，尚不如活塞式發(fā)動機(jī)，因此后者在小型直升機(jī)領(lǐng)域依然保有一席之地。

4）由于渦軸發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷工況下的燃油消耗率更低，因此可選用功率較小的渦軸發(fā)動機(jī)，使其實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少燃油消耗，而活塞式發(fā)動機(jī)正好相反，其在部分負(fù)荷工況下的燃油消耗率更低。

5）根據(jù)動力渦輪與壓氣機(jī)之間的聯(lián)系方式，渦軸發(fā)動機(jī)可分為定軸渦輪發(fā)動機(jī)與自由渦輪發(fā)動機(jī)2類，與定軸渦輪發(fā)動機(jī)相比，自由渦輪發(fā)動機(jī)具有較好的調(diào)節(jié)特性，可以在較寬的范圍改善直升機(jī)的性能。

6）目前，渦軸發(fā)動機(jī)的主要發(fā)展趨勢在于持續(xù)提高機(jī)組參數(shù)，增強(qiáng)機(jī)組可靠性、維護(hù)性及安全性，延長部件壽命，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電子控制等方面的功能。

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