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保证直升机涡轮轴发动机拥有较理想的工作环境的措施是为进气口加装空气过滤进气保护装

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,发动机前端是两级普通涡轮,它带动压气机,维持发动机工作,后面的二级是自由涡轮。所以直升机的涡轮轴发动机也需要一种能够过滤空气的装置来保护发

那是直升机发动机进气罩,学名叫做“航空燃气涡轮轴发动机进气保护装置”,它的作用与汽车的发动机空气滤芯是一样的(即汽车滤芯分离器),都是用来为发动机进气口实施气物分离,让空气通过过滤以后进入到发动机内参与做功,异物则被隔离在外面,避免发动机内部发生故障或零部件损坏。

直升机工作时,旋翼将大量空气吹向下方,一般情况下,对发动机的工作影响不大。但是当直升机在野战环境下,特别是在多砂地带或沙漠中起降或近地悬停时,下吹的空气流会将地面的砂尘等异物吹扬起来,这些飞扬起来的异物会随空气流被发动机吸入,对发动机的工作是非常不利的。

据测试,空气在被发动机压气机吸入时,流速达到了100米/秒左右,当那些包括砂尘在内的异物以这么高的速度流进高速旋转的压气机工作叶片时,坚硬的异物会打坏叶片;形态较小且质地较柔软的异物则会磨蚀叶片,破坏了正常的叶片型面,使压气机效率降低。

更为严重的是,尘砂类异物会随空气流向涡轮工作叶片中细小的冷却通道,造成通道堵塞,使涡轮工作叶片超温甚至烧毁,所以像mi24武装直升机这样的军用直升机都会在发动机进气口安装发动机进气罩,而俄式军用飞机所使用的发动机进气罩外形设计得比较粗狂,所以看起来像一对萌萌哒大眼睛。

▼下图为正在为米-17直升机更换进气罩滤芯的我国陆航部队地勤人员,红色箭头指示的就是那双与mi24武装直升机同款的萌萌哒大眼睛,它是俄制直升机最典型的外形特征。

直升机发动机属于燃气涡轮轴发动机,它的结构与喷气式飞机的涡扇发动机基本相同,所以发动机叶片十分脆弱

直升机是依靠旋翼高速旋转获得升力进行飞行的,所以有很多读者认为直升机的发动机应该与汽车发动机差不多,其实并不是这样的,直升机所使用的发动机为燃气涡轮轴发动机,并不是活塞发动机。

燃气涡轮轴发动机的结构与涡扇发动机的机构基本相同,它是由涡轮风扇发动机的原理演变而来,只不过涡轮轴发动机将风扇变成了旋翼。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,比如F-35B背上背着的那个风扇。

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,发动机前端是两级普通涡轮,它带动压气机,维持发动机工作,后面的二级是自由涡轮。

当燃油被化油器转换成燃气以后,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。此外成大涡轮减速机,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10%左右,喷速过小时甚至不产生什么推力。

涡轮轴发动机的工作原理与汽车发动机的涡轮增压机基本相同,汽车发动机的涡轮增压机的工作原理是利用发动机排出的高温废气作为动力来推动位于排气道内的涡轮,涡轮转动的同时带动位于进气道内同轴的叶轮,叶轮压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,高速的废气推动涡轮提速,废气排出速度与涡轮转速同步加快,空气压缩程度得以加大,发动机的进气量就相应地增加,气缸内燃烧更充分,动力输出就更高。

而直升机的涡轮轴发动机的工作原理则是这样的:空气通过进气口被压气机吸入,经过压气机压缩后以高压的形式进入燃烧室,被火焰筒分成内、外两股,大部分空气在火 焰筒外部,沿外部通道向后流动,起着散热、降温作用。

小部分空气进入火焰筒内与燃油喷 嘴喷出(或者甩油盘甩出)的燃油混合形成油气混合气,经点火燃烧成为燃气,向后膨胀加速,然后与外部渗入火焰筒内的冷空气掺合,燃气温度平均可达1500℃,流速可达230米/秒,高温、高速的燃气从燃烧室后部喷出冲击涡轮装置。

涡轮装置的主要部件就是叶片,高温、高速的燃气在冲击叶片时推动涡轮转动形成动力,高速转动的涡轮轴将动力传导给后段的减速机,减速机带动输出轴转动,输出轴驱动旋翼或螺旋桨转动,至此涡轮轴发动机的动力输出就完成了。

需要特别指出的是,燃烧室是涡轮轴发动机内燃油与空气混合、燃烧的地方,工作条件十分恶劣,由于气体流速很高(一般流速为50~100米/秒之间),混合气燃烧如大风中点火,因此保持燃烧稳定至关重要,为了保证稳定燃烧,在燃烧室结构设计上采取气流分流和火焰稳定等措施。

由于燃烧室的恶劣工况,现代涡轴发动机进入涡轮前的燃气温度可高达1500℃,涡轮转速超 过50000转/分钟,所以涡轮装置的叶片工作中常出现翘曲、变形、裂纹、过热烧穿等故障,是涡轮轴发动机中最容易受损的部件,为此涡轮装置的叶片采用热强度高、热塑性好的耐高温合金。

在如此的高温、高速、高压工作环境中,如果有异物被进气口吸入并带入到燃烧室,那么叶片将会受到严重损伤,后果轻则导致直升机动力下降、发动机寿命减短;重则致使发动机停车,飞机失去动力后坠毁,因此必须保证涡轮轴发动机拥有较理想的工作环境。

▼下图为公开展示的国产涡轴-10直升机用发动机,它将成为武直-10武装直升机的发动机,红色箭头指示的部位时该型发动机的进气口保护装置,该设计与美制“阿帕奇”武装直升机的进气口保护装置基本相同,即单通道粒子分离器。

保证直升机涡轮轴发动机拥有较理想的工作环境的措施是为进气口加装空气过滤进气保护装置

汽车活塞发动机有异物被吸入缸内时尚且会损坏发动机,更何况是精密的叶片涡轮发动机呢?所以直升机的涡轮轴发动机也需要一种能够过滤空气的装置来保护发动机叶片,它就是发动机进气罩。

然而直升机是一种在空中飞行的航空器,不可能使用汽车那样傻大粗的进气格栅,同时涡轮轴发动机的功率非常高,工作时所需空气量是非常大的,所以直升机发动机进气罩的性能要求远远高于汽车发动机的进气罩,当然名称也就更高大上了,也就是文前提到的“航空燃气涡轮轴发动机进气保护装置”。

以国产WZ-8涡轮轴发动机为例,其设计转速51000转/分钟,输出轴转速6000转/分钟,最大输出功率625千瓦,空气压缩比为6.7,空气流量为15~18千克/秒。

如此巨大的空气流量意味着异物吸入风险非常高,假设每20千克空气流量中夹带了0.1克包括沙尘在内的异物,那么发动机工作10分钟就吸入了60克异物,这无疑会严重制约发动机的性能发挥,倘若吸入异物是坚硬的石砾,那么发动机叶片必将会在51000转/分钟的转速中被打碎。

因此直升机涡轮轴发动机的进气口空气过滤装置的性能要求是既能阻止形态较大的异物进入,又能过滤颗粒细小的沙尘,同时还要满足发动机巨大的空气流量需求。

根据不同发动机性能要求以及设计要求,直升机发动机进气口空气过滤保护装置分为阻拦式过滤器、单通道粒子分离器、多通道粒子分离器、整体式惯性粒子分离器四种,空气过滤保护装置技术的应用大大提高了直升机发动机的寿命,例如越南战争期间,美军的CH-54直升机在未使用空气过滤保护装置的情况下在越南每飞行80小时就对发动机进行一次大修,而到了1972年全面使用整体式惯性粒子分离器以后,发动机大修间隔达到了800小时,提高了整整10倍。

▼下图为国产某型大功率直升机用涡轮轴发动机剖面,可见其内部核心部件是由精密的叶片涡轮装置构成的,所以一旦吸入异物便会造成非常严重的损伤。

mi24武装直升机以及众多苏式直升机使用阻拦式过滤器为发动机进气口提供进气保护

我们的主角mi24武装直升机以及众多苏式直升机上那对看似大眼睛的发动机进气保护装置则属于阻拦式过滤器,由于过去苏联的高分子技术还很落后,因此没有使用体积小、过滤效果好的粒子分离器,只能使用这种用普通滤棉制成的进气保护装置。

阻拦式过滤器对直升机发动机的保护原理说白了就是给发动机带上两个海碗大的纱布口罩,它的结构由三层过滤材料构成,外部为全尺寸的弧形面金属罩,作用是阻挡直径较大的异物,它覆盖着整个进气口;与弧形面金属罩相连接的是一层金属滤网,它的作用是在吸入空气的同时过滤直径较小的异物;过滤器内部是由一道棉制滤芯构成,滤芯结构为三层网状布置,可以过滤细小沙尘。

当发动机启动时,气流以大约16千克/秒的流速被吸入发动机进气口,在进入之前受到阻拦式过滤器的层层过滤,那些较大的异物首先会被弧形面金属罩阻拦,比如石砾、木屑等等;接下来是金属网的过滤,最后气流进入棉质滤芯进行最后一道过滤,剩下的干净空气就被压气机吸入,与化油器喷出的油雾在燃烧室内燃烧,形成高温高压燃气推动叶片转动。

mi24武装直升机所使用的阻拦式过滤器的优点是空气压力损失低、与发动机进气道对接以及维护方便;缺点是对细小颗粒物的过滤效果不佳、需要经常更换滤棉、进气效率低。这也是俄制直升机很难飞越青藏高原以及俄制发动机寿命较短的原因之一。

我国的国产武装直升机武直-10的发动机进气口保护装置采用了GJB-1171-91《军用直升机防沙要求》标准的IPS装置,即整体式粒子分离器(与美制“黑鹰”直升机同款),对大粒径≤200微米的沙尘过滤效率为94%,因此我国的国产武装直升机动力可能不如俄制mi24武装直升机,但是寿命绝对超过它。

▼下图为我国西部战区某陆航团装备的美制“黑影”通用直升机,它的进气道保护装置采用整体式粒子分离器,进气效率远远高于俄制直升机,因此“黑鹰”成为唯一一种能够飞越青藏高原,为我军提供空中补给的直升机,其整体式粒子分离器技术也被应用到武直-10武装直升机以及直-20通用直升机上。

综上所述我们可以得出这样的结论:第一、mi24武装直升机上边的那两个像眼睛一样的圆罩子是发动机进气罩,学名叫做“航空燃气涡轮轴发动机进气保护装置”,它的作用是过滤发动机吸取的空气,防止异物进入发动机内部,损坏到发动机内部的各精密零部件。

第二、mi24武装直升机所使用的发动机进气保护装置属于阻拦式过滤器,它被广泛应用到各型苏式直升机上,所以大多数俄制直升机上都有这么一双萌萌哒大眼睛。

直升机与固定翼飞机相比有机动性好、能在多种环境下起降的特点,这些环境决定了直升机使用环境的多样性,比如在沙漠、丛林等环境中执行起重、救援、运输、侦察以及攻击等任务,因此直升机发动机往往经常处于恶劣的环境中工作,使得发动机吸入异物的风险远远高于固定翼飞机,发动机的空气进化显得尤为重要,所以各个国家在发展直升机涡轮轴发动机技术的同时也不遗余力地研究发动机进气口保护措施成大涡轮减速机,mi24武装直升机上那对像一双大眼睛一样的阻拦式过滤器就是当年苏联研究发动机进气口保护措施的产物。

▼下图为研发阶段的mi24武装直升机,红色圆圈位置是发动机进气道保护装置研发团队为该型直升机研发的另一种阻拦式过滤器,它的过滤效果要好于“圆罩子”,但是基于气动外形的考虑,该型阻拦式过滤器设计方案未被采用。

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