飞机涡轮发动机由进气口、压缩机、燃烧室、涡轮部分和排气装置组成。 推力是通过增加流过发动机的空气的速度而产生的。 涡轮发动机是非常理想的飞机动力装置。 它们的特点是运行平稳和高功率重量比，并且使用现成的喷气燃料。 在材料、发动机设计和制造工艺的最新进展之前，在小型/轻型生产飞机中使用涡轮发动机的成本高得令人望而却步。 今天，一些航空制造商正在生产或计划生产小型/轻型涡轮动力飞机。 这些较小的涡轮动力飞机通常位于三到七名乘客之间，被称为非常轻的喷气式飞机 (VLJ) 或微型喷气式飞机。 [图 6-22]
6.9.1 涡轮发动机的类型 #
涡轮发动机根据它们使用的压缩机类型进行分类。 压缩机分为三种类型——离心流、轴流和离心-轴流。 在离心式流动发动机中通过使空气垂直于机器的纵向轴向外加速来实现进气的压缩。 轴流式发动机通过一系列旋转和静止的机翼压缩空气，使空气平行于纵向轴线移动。 离心轴流设计使用两种压缩机来实现所需的压缩。
空气通过发动机的路径以及功率的产生方式决定了发动机的类型。 有四种类型的飞机涡轮发动机——涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨飞机、涡轮风扇和涡轮轴。
6.9.2 涡轮喷气发动机 #
涡轮喷气发动机由四个部分组成：压缩机、燃烧室、涡轮部分和排气。 压缩机部分以高速速度将进气传送至燃烧室。 燃烧室包含用于燃烧的燃料入口和点火器。 膨胀的空气驱动涡轮机，该涡轮机通过轴连接到压缩机，维持发动机运行。 来自发动机的加速废气提供推力。 这是压缩空气、点燃燃料-空气混合物、产生动力来自行保持发动机运行和排气以用于推进的基本应用。 [图 6-23]
涡轮喷气发动机的续航里程和续航时间有限。 它们在缓慢的压缩机速度下响应油门应用也很慢。
6.9.3 涡轮螺旋桨飞机 #
涡轮螺旋桨发动机是通过减速机驱动螺旋桨的涡轮发动机。 废气驱动由驱动减速装置组件的轴连接的动力涡轮。 在涡轮螺旋桨发动机中，减速是必要的，因为在比发动机运行转速低得多的速度下实现了最佳螺旋桨性能。 涡轮螺旋桨发动机是涡轮喷气发动机和往复动力装置之间的折衷方案。 涡轮螺旋桨发动机在 250 到 400 英里/小时的速度和 18,000 到 30,000 英尺的高度之间最有效。 它们在起飞和着陆所需的缓慢空速下也表现良好，并且具有燃油效率。 涡轮螺旋桨发动机的最低比油耗通常在 25,000 英尺到对流层顶的高度范围内可用。 [图 6-24]
6.9.4 涡轮风扇 #
涡轮风扇的开发是为了结合涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨飞机的一些最佳功能。 涡轮风扇发动机旨在通过转移燃烧室周围的二次气流来产生额外的推力。 涡轮风扇旁通空气产生增加的推力、冷却发动机并有助于抑制排气噪音。 这提供了涡轮喷气式巡航速度和更低的燃料消耗。
通过涡轮风扇发动机的进气通常分为两个独立的空气流。 一条流穿过发动机核心，而第二个流绕过发动机核心。 正是这种旁路的气流负责“旁通发动机”。 涡轮风扇的旁通比率是指通过风扇的质量气流除以通过发动机核心的质量气流的比率。 [图 6-25]
6.9.5 涡轮轴 #
第四种常见的喷气发动机是涡轮轴。 [图 6-26] 它为驱动螺旋桨以外的东西的轴提供动力。 涡轮喷气发动机和涡轮轴发动机的最大区别在于
涡轮轴发动机，膨胀气体产生的大部分能量用于驱动涡轮而不是产生推力。 许多直升机使用涡轮轴燃气涡轮发动机。 此外，涡轮轴发动机被广泛用作大型飞机的辅助动力装置。
6.9.6 涡轮发动机仪器 #
显示机油压力、油温、发动机转速、排气温度和燃油流量的发动机仪器在涡轮和往复式发动机中都很常见。 但是，有些仪器是涡轮发动机独有的。 这些仪器提供发动机压力比、涡轮排放压力和扭矩的指示。 此外，大多数燃气涡轮发动机都有多个温度感应仪器，称为热电偶，为先导者提供涡轮部分内和周围的温度读数。
6.9.7 发动机压力比 (EPR) #
发动机压力比 (EPR) 表用于指示涡轮喷气发动机/涡扇发动机的动力输出。 EPR 是涡轮机排放与压缩机入口压力的比值。 压力测量由安装在发动机入口和排气口的探头记录。 收集后，数据将发送到差压传感器，该传感器显示在飞行甲板 EPR 仪表上。 EPR 系统设计自动补偿空速和高度的影响。 环境温度的变化需要对 EPR 指示应用校正，以提供准确的发动机功率设置。
6.9.8 排气温度（EGT） #
燃气涡轮发动机的限制因素是涡轮部分的温度。 必须密切监测涡轮部分的温度，以防止涡轮叶片和其他排气部分组件过热。 一种监测涡轮机部分温度的常用方法是使用 EGT 仪表。 EGT 是用于监控整体发动机运行状况的发动机运行极限。 EGT 系统的变体基于温度传感器的位置具有不同的名称。 常见的涡轮温度传感仪包括涡轮机入口温度 (TIT) 表、涡轮出口温度 (TOT) 表、级间涡轮温度 (ITT) 表和涡轮气体温度 (TGT) 表。
6.9.9 扭矩计 #
涡轮螺旋桨/涡轮轴 发动机功率输出由扭矩计测量。 扭矩是施加在轴上的扭力。 扭矩计测量施加在轴上的功率。 涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机旨在产生用于驱动螺旋桨的扭矩。 扭矩计以百分比单位、英尺磅或 psi 进行校准。
6.9.10 N1 指标 #
N1 代表低压压缩机的转速，并以设计转速的百分比显示在指标上。 启动后，低压压缩机的转速由 N1 涡轮机轮控制。 N1涡轮通过同心轴连接到低压压缩机。
6.9.11 N2 指示器 #
N2 代表高压压缩机的转速，并以设计转速的百分比显示在指标上。 高压压缩机由 N2 涡轮机轮控制。 N2涡轮通过同心轴连接到高压压缩机。 [图 6-27]
6.9.12 涡轮发动机运行注意事项 #
涡轮发动机种类繁多，无法涵盖特定的操作程序，但所有涡轮发动机都有一些共同的操作考虑因素。 它们是发动机温度限制、异物损坏、热启动、压缩机失速和熄火。
6.9.13 发动机温度限制 #
任何涡轮发动机中的最高温度出现在涡轮入口处。 因此，涡轮机入口温度通常是涡轮发动机运行的限制因素。
6.9.14 推力变化 #
涡轮发动机推力直接随空气密度而变化。 随着空气密度的降低，推力也会降低。 此外，由于空气密度随着温度的升高而降低，温度升高也会导致推力减少。 虽然涡轮机和往复式动力发动机在一定程度上受到高相对湿度的影响，但涡轮发动机的推力损失可以忽略不计，而往复式发动机的制动马力损失很大。
6.9.15 异物损坏（FOD） #
由于涡轮发动机进气口的设计和功能，总是存在摄入碎片的可能性。 这会导致严重损坏，特别是对压缩机和涡轮部分。 当发生碎片时，称为异物损伤（FOD）。 典型的 FOD 由从坡道、滑行道或跑道中摄入小物体引起的小刻痕和凹痕组成，但也发生了由鸟击或吸冰引起的 FOD 损伤。 有时 FOD 会导致发动机的完全毁坏。
预防FOD是一个优先事项。 在地面操作期间，一些发动机入口倾向于在地面和入口之间形成涡流。 可以在这些发动机上安装涡流消散器。 也可以使用其它设备，例如屏幕和/或导流板。 飞行前程序包括对任何 FOD 迹象的目视检查。
6.9.16 涡轮发动机热/悬挂启动 #
当 EGT 超过飞机的安全限制时，它会经历“热启动”。 它是由过多的燃料进入燃烧室或涡轮机转速不足引起的。 任何时候发动机热启动，请参阅 AFM/PoH 或适当的维护手册以了解检查要求。
如果发动机在点火后加速到适当的速度或没有加速到怠速转速，则发生挂起或错误启动。 起动启动可能是由于启动电源不足或燃油控制故障引起的。
6.9.17 压缩机失速 #
压缩机叶片是小型机翼，并遵守适用于任何机翼的相同空气动力学原理。 压缩机叶片具有由进气速度和压缩机的转速所致的迎角。 这两种力结合形成一个向量，它定义了翼型与接近进气的实际迎角。
压缩机失速是两个向量量，入口速度和压缩机转速之间的不平衡。 当压缩机叶片的迎角超过临界迎角时，会发生压缩机失速。 此时，平滑的气流被中断，并随着压力波动而产生湍流。 压缩机失速导致压缩机中流动的空气减速和停滞，有时会发生逆向。 [图 6-28]
压缩机失速可以是短暂的、间歇性的或稳定的。 瞬间/间歇性失速的迹象通常是间歇性“砰”的，因为逆火和流动逆转发生。 如果失速发展并变得稳定，强烈的振动和响亮的轰鸣声可能会从连续的流动逆转中产生。 通常，飞行甲板仪表不会显示出轻微或短暂的失速，但它们确实表明了一个发达的失速。 典型的仪器指示包括 RPM 的波动和废气温度的升高。 大多数瞬态失速对发动机无害，通常在一到两次脉动后进行纠正。 稳定状态失速造成发动机严重损坏的可能性是立竿见影的。 恢复必须通过快速降低功率、降低飞机的迎角和提高空速来实现。
尽管所有燃气涡轮发动机都受到压缩机失速的影响，但大多数型号都有抑制它们的系统。 一个系统使用可变入口导叶 (Vigv) 和可变定子叶片，以适当的角度将进入的空气引导到转子叶片中。 为防止气压失速，请在制造商设定的参数范围内操作飞机。 如果出现压缩机失速，请按照 AFM/POH 中推荐的程序进行操作。
6.9.18 熄火 #
在燃气涡轮发动机的运行中发生熄火，其中发动机中的火灾意外熄灭。 如果在燃烧室中超过了燃料/空气比的丰富限值，火焰将喷出。 这种情况通常被称为丰富的熄火。 它通常由非常快速的发动机加速引起，其中过于丰富的混合物导致燃料温度低于燃烧温度。 它也可能是由于气流不足以支持燃烧引起的。
更常见的熄火发生是由于低燃油压力和低发动机转速，这通常与高空飞行有关。 这种情况也可能发生在发动机在下降过程中节流时会发生，这可能会设置稀缺条件熄火。 即使通过发动机正常的气流，弱混合物也很容易导致火焰熄灭。
任何燃料供应中断都可能导致熄火。 这可能是由于长时间的异常姿态、故障燃料控制系统、湍流、结冰或燃料耗尽所致。
熄火的症状通常与发动机故障后的症状相同。 如果熄火是由于燃料流量和发动机转速之间的不平衡等暂时性状况，则可以在修正条件后尝试进行空中起动。 在任何情况下，飞行员都必须遵循 AFM/POH 中概述的适用应急程序。 通常，这些程序包含有关 Airstart 最有可能成功的高度和空速的建议。
6.9.19 性能比较 #
可以比较往复式动力装置和不同类型的涡轮发动机的性能。 为了比较准确，必须使用往复式动力装置的推力马力（可用马力）而不是制动马力，并且必须使用净推力用于涡轮动力发动机。 此外，飞机的设计配置和尺寸必须大致相同。 比较性能时，以下定义很有用： 制动马力 (BHP)——实际传递到输出轴的马力。 制动马力是实际可用的马力。 净推力——由涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机产生的推力。 推力马力（THP）——与涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机产生的推力的马力相当。 等效轴马力 (ESHP) — 就涡轮螺旋桨发动机而言，向螺旋桨输送的轴马力 (SHP) 的总和和废气产生的 THP 的总和。 图 6-29 显示了四种类型的发动机在净推力中的比较，随着空速的增加。 此图仅用于说明目的，不适用于特定型号的发动机。 以下是四种类型的发动机：
- 往复动力装置
- 涡轮、螺旋桨组合（涡轮螺旋桨）
- 内置风扇（涡轮风扇）的涡轮发动机
- 涡轮喷气机（纯喷气式飞机）
通过绘制每个发动机的性能曲线，可以比较飞机的最大速度变化与所使用的发动机类型。 由于该图只是一种比较手段，因此不包括净推力、飞机速度和阻力的数值。
在净推力的基础上比较四种动力装置使某些性能表现明显。 在 A 线左侧所示的速度范围中，往复式动力装置的性能优于其他三种类型。 涡轮螺旋桨发动机在C线左侧的范围内优于涡轮风扇。涡轮风扇发动机在F线左侧的范围内优于涡轮喷气发动机。涡轮风扇发动机的性能优于往复式动力装置的右侧 B线和C线右侧的涡轮螺旋桨发动机优于D线右侧的往复动力装置，E线右侧的涡轮螺旋桨飞机和F线右侧的涡轮风扇。
飞机阻力曲线与净推力曲线相交的点是飞机的最大速度。 从图表的每个点到基线的垂直线表示涡轮喷气飞机可以获得比配备其他类型发动机的飞机更高的最大速度。 配备涡轮风扇发动机的飞机将获得比配备涡轮螺旋桨飞机或往复动力装置的飞机更高的最高速度。
