燃气轮机工作原理

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1、燃气轮机工作原理当您来到机场看到从事商业运营的喷气飞机时，一定会注意到为飞机提供动力的巨大发动机。大部分商用喷气飞机都采用涡轮风扇发动机，这种发动机属于一个大类，叫做燃气轮机。　　　　您可能从未听说过燃气轮机，其实在您意想不到的各种场所都会出现它的身影。例如，您看到的许多直升机，大量的小型发电厂，甚至M-1坦克，它们使用的都是燃气轮机。在本文中，我们将看一看燃气轮机到底有哪些能力让它们如此受欢迎。　　涡轮机的种类很多：　　您可能听说过蒸汽涡轮机。大部分发电厂使用煤、天然气、石油，甚至核反应堆来产生蒸汽。通过一台巨大、设计精

2、密的多级涡轮机，蒸汽带动输出轴旋转，输出轴再带动发电机，从而产生电力。　　水电站大坝使用水力涡轮机（水轮机）产生动力，这种涡轮机的工作原理与蒸汽涡轮机相同。由于水的密度要远远大于空气，而且流动速度慢，因此水电站使用的涡轮机与蒸汽涡轮机完全不同，不过，二者的基本原理是一致的。　　风力涡轮机，也被称为“风磨”，是一种以风为动力的涡轮机。由于风的速度较慢，而且重量很轻，因此风力涡轮机看上去一点儿也不像蒸汽涡轮机或水力涡轮机，不过，它们的基本原理是一致的。　　燃气轮机也是相同原理的延伸。它采用压缩气体转动涡轮。所有现代燃气轮机，都

3、是通过燃烧丙烷、天然气、煤油或喷气燃料等，自己产生压缩气体。燃料燃烧产生的热量使得空气膨胀，热空气高速冲出，带动涡轮旋转。　　那么，为什么M-1坦克要使用1,500马力的燃气轮机，而不使用柴油发动机呢？事实上，与柴油机相比，涡轮机有两大优势：　　燃气轮机的功率重量比远优于往复式发动机。也就是说，涡轮发动机的输出功率与自身重量的比率非常好。　　在相同输出功率下，燃气轮机的体积要小于往复式发动机。燃气轮机的主要劣势在于，与同体积的往复式发动机相比，它的造价昂贵。由于涡轮机的转速快，而且工作温度高，因此从工程和材料的角度看，燃气

4、轮机的设计和制造都是一个很棘手的问题。此外，燃气轮机空转时消耗的燃料更多，而且要求负载恒定，不要有波动。这一点使得燃气轮机成为建造横贯大陆的喷气式飞机，以及发电厂的首选，同时也可以解释为什么汽车上不使用燃气轮机。　　从理论上讲，燃气轮机极其简单。它由三个部分组成：　　压缩器——将进气压缩成高压气体　　燃烧区——燃烧燃料，产生高压高速气体　　涡轮机——从来自燃烧区的高压高速气体中提取能量下图是轴流燃气轮机的总体构造图，这种发动机经常在直升机上使用，用来带动直升机的旋翼，例如：　　　　在这种发动机中，空气被压缩器从右侧吸入。压

5、缩器基本上是一个锥形圆柱，其上安装有小型风扇叶片，叶片呈排排列（图上共有八排叶片）。假设淡蓝色代表处于正常气压的空气，那么，当空气被吸入到压缩级时，空气压力会急剧升高。在某些发动机中，气压可以升高30倍。压缩器产生的高压空气用深蓝色表示。高压空气进入燃烧区，燃烧区内有一圈燃料喷射器，喷射器将燃料稳定喷出。燃料一般采用煤油、喷气燃料、丙烷或天然气。吹灭一只蜡烛非常容易，如果您这样想，那么您会发现燃烧区设计上的难题——进入燃烧区的是高压空气，时速高达数百公里，而您却想让火焰在这样的环境条件下持续燃烧。解决这一难题的部件叫做“火

6、焰稳定器”（有时也叫做“罐”）。火焰稳定器是一个中空带孔的部件，由重金属制成。以下是火焰稳定器的截面图：　　　　燃料喷射器在右侧。压缩空气通过小孔进入。废气从左侧排出。在上图中您会发现，在火焰稳定器的内、外部还各包着一个圆筒，它们引导压缩空气进入火焰稳定器的小孔。　　发动机的左边是涡轮部分。这张图包括两组涡轮。其中第一组涡轮直接驱动压缩器。涡轮、轴和压缩器共同作为一个独立的单元转动：　　　　最左边是最后的涡轮级，图中只显示了其中一组叶片。这组涡轮驱动输出轴。最后的涡轮级和输出轴共同构成一个完全独立的、靠惯性运行的组件。这个

7、组件自由转动，与发动机其余部分没有任何关系。而这就是燃气轮机最让人吃惊的部分——通过最后的输出涡轮叶片吹出的热气包含足够的能量，可产生1,500马力的动力，足以驱动重达63吨的M-1坦克！的确，燃气轮机就这么简单。　　如图所示，如果是坦克或发电厂使用的涡轮机，废气将通过排气管排出，不做任何处理。不过，有些时候，废气还要经过某种热交换器，以提取其中的热量用于其他目的，或者对进入燃烧室之前的空气进行预热。　　显然，我们的讲解有些过于简单了。例如，我们并没有讨论轴承、润滑系统、发动机的内部支撑结构、定子叶片等等。由于发动机内部的

8、温度、压力和转速非常大，上述领域都是主要的工程难题。不过，我们这里介绍的基本原理适用于所有燃气轮机，能帮助您认识和理解涡轮机的基本构造和工作原理。　　大型喷气客机采用的发动机叫做涡轮风扇发动机，其实这种发动机只不过是在燃气轮机的前面增加了一个大风扇而已。以下是涡轮风扇发动机的基本构造（已高度简化）。