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图说燃气涡轮发动机的原理与结构 曹连芃 摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式 压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发 动机的整体结构也进行了介绍。 关键字： 燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮 1. 燃气涡轮发动机的工作原理 燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在 唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯 内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。 燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。 图1-走马灯与燃气涡轮 燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空 气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。图2 是一台燃气轮机原理模型 剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。 从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中 部有燃料入口，在后端是排气口 （燃气出口）。 燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机， 有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气； 中间部分是燃烧器段 （燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右 边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。 1 / 11 图2-模型燃气轮机结构 在图3 中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机， 高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧 室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气 体从排气口排出，其流向见红色箭头线。 图3-燃气轮机工作过程 在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根 主轴上组成燃气轮机转子，如图4 所示。 2 / 11 图4-燃气轮机转子 燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保 证涡轮带动压气机正向旋转呢，简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶 片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在 同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片 与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。燃气轮机在设计时就 要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率，才能使燃气轮机在带动压气 机的同时还能向外输出功率。 2. 轴流式压气机 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室，从工作原理上讲， 主要有轴流式压气机与离心式压气机。离心式压气机工作原理与离心式鼓风机（或 离心式风筒）相同，用得较少，这里介绍轴流式压气机。 轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成，工作原理如同电风扇的叶片，电风 扇的叶片旋转时拨动空气流动产生风；压气机的叶轮旋转把空气推进气缸压缩。 为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气 机的转轴上构成压气机转子，图5 是一个12 级压气机的转子,转子上的叶片与主 轴一同旋转，称为动叶。 光有动叶还不能有效的压气，简单说，空气经过动叶后运动方向不单是轴向 前进，还沿着动叶旋转的方向运动。这会使下级动叶的压缩效率大大降低。倘若 这样一级级下去，压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团，根本无法正常压气。 在每级动叶后每插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。 3 / 11 图5-压气机转子 图6 是运动