單軸式渦槳發動機（single shaft turboprop），又稱直驅渦槳發動機（direct drive turboprop），或者固定軸式，指的是螺旋槳與壓氣機共用同一驅動軸 ，整個發動機只有一根軸，既是屬於核心軸，也作為輸出軸使用。由於螺旋槳需要在較低的轉速下旋轉 ，在驅動軸與螺旋槳之間配有減速齒軸箱，不同的發動機配備不同減速比的齒軸箱 。它的結構和最簡單的渦噴很類似，只是多上一到兩級燃氣渦輪，譬如渦槳5就有三級渦輪，而很多早期的渦噴發動機只有一級渦輪。
基本介紹
- 中文名：單軸式渦槳發動機
- 外文名：single shaftturboprop
- 別名：直驅渦槳發動機，固定軸式
- 特點：單軸驅動
- 類型：渦槳發動機
- 相對應：自由渦輪式
簡介,基本原理,特性比較,國產舉例,
簡介
縱觀航空發動機的發 展歷程最先出現的是活塞發動機，活塞發動機使人類第一次真正實現了飛天夢。發動機功率大致與飛行速度的三次方成正比，因此隨著飛機速度的提高，飛行阻力隨著速度速增加，從而導致發動幢量迅速増大， 無法滿足飛機對重量的限制。另 一方面，當飛行速度接近 800km/h時，螺旋槳的槳尖速度已接近聲速，形成激波和振動會導致螺旋槳工作不穩定，效率急劇下降。1939年9月27日，隨著裝有燃氣渦輪噴氣發動 機的飛機在德國首次試飛成功，航空燃氣渦輪發動機給人類帶來了飛行速度上的質的飛越。航空發動機技術不斷發展，航空燃氣渦輪發動機已分出許多類型，性能也較70幾年前大有提高 。現有航空燃氣渦輪發動機的主要類型有：渦噴發動機、渦扇發動機、渦槳發動機、渦軸發動機及槳扇發動機等 。
渦槳發動機的驅動原理大致上與使用活塞發動機作為動力來源的傳統螺旋槳飛機雷同，是以螺旋槳旋轉時所產生的推力或拉力作為飛機前進的動力。同活垂髮動機+螺旋槳相比，渦槳發動機有許多優點。首先，它的功率更大，功重比也大，最大功率可超過10000HP，功重比為4 以上，而活 塞發動機最大不過三四千馬力，功重比 為2左右。其次，由 於減少了運動部件，尤其是沒有做往復運動的活塞，渦槳發動機的穩定性好，噪聲小，壽命長，維修費也較低。而且，由於核心部分細燃氣發生器，渦槳發動機的刪高度和速度範圍都要比活塞發動機高得
多。在耗油方面，二者相差不多，但渦槳發動機所使用的煤油要比活塞發動機的汽油便宜。目前最有代表性的渦 槳發動機有單軸式與自由渦輪式兩種 。
基本原理
最初，燃氣混合氣是由高能點火器點燃的，然後膨脹的燃氣流到渦輪。高速熱燃氣的能量在主軸上通過渦輪轉子轉換成扭矩。減速齒輪把主軸的高轉速-低扭矩轉換成低轉速-高扭矩，以驅動附屬裝置和螺旋槳。離開渦輪的廢氣通過排氣管排放到大氣中。
在燃燒過程中，實際使用的流過發動機的空氣大約只占10%，約20%的壓縮空氣可能被用於加熱、冷卻、客艙增壓和氣源系統。超過一半的發動機功率用於驅動壓縮機，並且如果發動機失效而自轉，則壓縮機可能產生很高的阻力。
在固定軸恆速型發動機上，發動機轉速在96%～100%這個很小的範圍內變化。在地面運行過程中，轉速可能降低至70%。在飛行中，發動機以恆速運行，這是通過螺旋槳的控制系統保持的。可以通過增加燃油流量和螺旋槳槳葉角而不是通過增加發動機轉速來改變功率。燃油流量的增加導致溫度增加，並且渦輪可用的能量也相應增加。渦輪吸收更多的能量，並以扭矩的形式傳遞至螺旋槳。增加的扭矩迫使螺旋槳槳葉角增加，以便維持恆定的速度。在輸出功率的過程中，渦輪溫度是一個很重要的考慮因素，它和燃油流量直接相關，因而也直接和輸出的功率大小有關。由於燃燒室和渦輪部分材料的強度和耐久性有限，因此必須限制渦輪溫度。控制系統調節燃油流量從而產生特定的溫度，並且限制這些溫度，這樣就不會超過燃燒室和渦輪部分的溫度限制。發動機被設計成可以在其整個壽命期內以100%轉速運轉。它的所有組成部件，例如壓縮機和渦輪，在以設計轉速或接近設計轉速工作時效率是最高的。
對動力裝置(發動機和螺旋槳)的控制是通過每個發動機的油門桿和燃油流量控制桿實現的。它沒有可以在活塞發動機上看到的混合氣控制桿和/或轉速控制桿。在固定軸恆速型渦輪螺旋槳發動機上，前推或後拉油門桿可以增加或減小向前的推力，油門桿還可用於提供反推力。燃油流量控制桿把預期的發動機轉速設定在適合於地面運行和飛行之間的狹窄工作範圍內。
特性比較
尺寸重量
在同等輸 出軸功率級別 下，由於增加了自由渦輪，自由渦輪發動機要比單軸發動機重10% 左右。而在外形尺寸，單軸發動機有更 大的優勢。單軸發動機的基本結構中，在工程設計製造時，發 動機廠家會把減速齒軸箱布置在壓氣機的前上方或前下方，一方面可以減少發動機的軸 向尺寸，另一方面也方便發動機進行道的設計。
效率及回響速度
自由式渦輪發動機由於自由渦輪是由燃氣驅動的，與燃氣發生器沒有機械連線， 因此， 自由渦輪發動機的效率在渦輪螺旋槳發動機類型中比單軸式渦槳發動機的稍低。自由渦輪發動機的壓氣機布置在發動機後端，空氣從進氣道進入後需轉180°才能進入壓氣機，導致進氣損失偏大。反映到燃油經濟性上，與單軸式渦輪發動機相比，在輸出軸功率相當的前提下，自由渦輪發動機的燃油消耗率（SFC）較單軸發動機的高約6%~10%。
另一方面，由於自由渦輪是靠燃氣驅動的，因此在飛行員想改變發動機狀態時，自由渦輪發動機將會有一定的延遲，例如從慢車到最大起飛功率，飛行員完成推桿動作後，大概得經過3s左右發動機才能到達所需的最大起飛功率狀態，在回響速度上，單軸發動機有著幾乎無延遲的優勢。
啟動特性
地面啟動時，自由渦輪發動機所需的扭矩更小。這是因為自由渦輪在啟動過程中僅需將燃氣發生器轉子（包括壓氣機及其渦輪） 帶動到點火轉速， 而單軸發動機在此過程中還需帶動發動機前端的螺旋槳及減速齒輪箱。因此，在小飛機上，一般只需紿自由滿輪發動機配備一塊啟動用的蓄電池而需要給單軸發動機配備兩塊。
在飛行中進行發動機再啟動時，自由渦輪發動機的再啟動包線更廣。自由渦輪發動機在飛行中進行再啟動有兩種模式，風車啟動及啟動發電機啟動，而單軸發動機只能通過風車啟動。風車啟動指的是，渦槳發動機空中熄火後，由於螺旋槳的旋轉為風車狀態，發動機轉子也隨螺旋槳一起轉動，如飛行高度和速度在廠家允許的包線內，可根據需要進行點火啟動。而空中的啟動發電機啟動與地面正常啟動程式一樣。
噪聲及進氣道設計
單軸發動機的壓氣機在發動機前端，直接對著進氣道，而自由式的氣壓機在發動機後端。因此如果單軸發動機進氣道不進行消聲設計， 發動機運行時壓氣機的 矂聲將直接傳到機體外。自由式發動機在噪聲控制方面顯然要好於單軸發動機 。對於發動機進氣道的設計，單軸發動機的進氣道基本上已為發動機自帶，而且由於該進氣道位於減速齒輪箱的下方（或上方）齒輪箱工作時處於高溫的滑油為進氣的防冰提供了熱量，但是由於壓氣機暴露在進氣氣流下,發動機對外來物損傷（FOD）的抵抗能力較弱。
發動機的安裝及布置
在飛機生產廠家進行發動機選型時，除考慮發動機功率、功重比、燃油經濟性、性能參數、安全可靠性等外，還需根據自身飛機空間限制選擇合適的發動機。單軸發動機在外形尺寸上具有較大的優勢 ，這不僅僅是因為發動機的軸向及徑向尺寸，還與發動機進 、排氣系統有關 。單軸式在排氣系統設計時有很多方案可選，可設計成單排氣管或雙排氣管，排氣方向也可根據需要進行選擇 。另外，由於排氣管中可能產生火花或火星，從夜航時對飛行員視線的影響方面考慮，單軸發動機排氣系統的設計顯然更容易避開飛行員視線。圖1、圖2分別為單軸式與自由發動機的常規結構。
圖1
圖2
國產舉例
WJ-6系列發動機壓氣機是單轉子的十級軸流式亞音速壓氣機，由轉子﹑ 靜子和進氣導向器三部分組成。渦輪為三級軸流反力式，由轉子和靜子組成。壓氣機轉子和渦輪轉子共用一根軸，工作轉速12300r/min，由雙級封閉差動遊星減速器將軸轉速減為螺旋槳工作轉速1074r/min。為保證發動機啟動和加速時的穩定工作，防止喘振，在第五和第八級壓氣機各裝有兩個放氣活門。它的主要缺點是：啟動時啟動機需帶動壓氣機和渦輪同步工作，所帶載荷大，啟動困難。十級壓氣機增壓比為9.2，增壓比低。轉速有工作轉速12300r/min和慢車轉速10400r/min，經雙級封閉差動遊星減速器減速後螺旋槳轉速仍較高，造成發動機工作時噪音大。
WJ-6發動機防止“ 喘振” 辦法就是採用放氣方法，就是在壓氣機某級區間設定放氣環，以使壓力出現異常時及時泄壓可避免喘振的發生。中間級放氣防喘結構簡單，有利於壓氣機在低轉速下工作穩定，但使壓氣機增壓比下降，降低功率輸出。
