燃气轮机工作原理
作者：未知 来源：未知 2012-07-06 11:49
作者：未知 来源：未知 2012-07-06 11:49
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：
涡轮机有两大优势：
从理论上讲，燃气轮机极其简单。它由三个部分组成：
在这种发动机中，空气被压缩器从右侧吸入。压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）。
您会看到，涡轮风扇发动机的核心是普通的燃气轮机，就像我们前几节讲到的燃气轮机一样。不同之处在于，在最后的涡轮级，由涡轮驱动的轴将动力回传到发动机前面，推动风扇旋转（图中以红色表示）。顺便说一下，在燃气轮机中，这种多同心轴设置极其普遍。实际上，除上图所示的风扇涡轮，许多大型涡轮风扇发动机会有两个完全独立的压缩级，分别由不同的涡轮驱动。三个同心轴一个套着一个。
安装风扇的目的是为了急剧增加通过发动机的空气量，从而提高发动机的“推力”。当您在机场看到商用喷气飞机的发动机时，您看到的是发动机的风扇。风扇非常大，大型喷气飞机的风扇直径在3米左右，因此可以带动大量空气运动。风扇带动的空气被称为“旁通空气”（bypass air），因为这种空气从旁边通过发动机的涡轮部分，然后直接高速到达发动机后面，产生推力。
涡轮螺旋桨发动机与涡轮风扇发动机相似，只是它在发动机前端安装的不是风扇，而是传统的螺旋桨。输出轴连接到变速箱，以降低速度。齿轮箱（变速箱）输出功率，带动螺旋桨旋转。
涡轮风扇发动机的目的是为了产生“推力”来推动飞机向前飞。公制通常以“牛顿”为单位（9.89牛顿约等于1公斤推力）。1公斤推力相当于一股可将1公斤物质加速到9.75米/秒2的力量（9.75米/秒2恰好等于重力加速度）。因此，如果您的喷气发动机可产生1公斤的推力，那么，假如飞机头朝下垂直竖立，发动机可以让1公斤重的物体悬停在空中。依此类推，如果喷气发动机可产生2000公斤的推力，那么，它可以让2000公斤重的物质悬停在空中。如果火箭发动机可以产生2000公斤的推力，并且作用于一个在空中飘浮的2000公斤重的物体，那么，这个2000公斤重的物体将获得9.75米/秒2的加速度。
推力的产生符合牛顿原理：“每个作用力都有一个大小相等的反作用力”。例如，假设您在宇宙中漂流，在地球上您的体重是45公斤。您手中有一个棒球，在地球上它的重量是0.45公斤。如果您以9.75米/秒（约34公里/小时）的速度将棒球抛出，您的身体将会按相反的方向运动（反作用力），速度为9.75米/秒。如果您以每秒一个棒球的频率，连续将棒球按上述方式抛出，那么，棒球将产生0.45公斤的连续推力。有一点要注意，如果您要连续产生一个小时的0.45公斤推力，您一开始就要拿3,600个棒球。如果您想做到更好，就要用更大的力量去扔棒球。如果您“扔”（例如，用枪来“射”）棒球的速度为9.75米/秒，就可以产生45公斤的推力。
就涡轮风扇发动机来说，它所抛出的棒球是“空气分子”。因为空气分子已经在那里了，所以至少不用飞机随机携带。单个空气分子并没有多重，但发动机抛出的空气分子数量多，而且速度非常快。在涡轮风扇发动机中，推力来自两部分：
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- 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。
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。
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
在这种发动机中，空气被压缩器从右侧吸入。压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：
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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：
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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）。
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您会看到，涡轮风扇发动机的核心是普通的燃气轮机，就像我们前几节讲到的燃气轮机一样。不同之处在于，在最后的涡轮级，由涡轮驱动的轴将动力回传到发动机前面，推动风扇旋转（图中以红色表示）。顺便说一下，在燃气轮机中，这种多同心轴设置极其普遍。实际上，除上图所示的风扇涡轮，许多大型涡轮风扇发动机会有两个完全独立的压缩级，分别由不同的涡轮驱动。三个同心轴一个套着一个。
安装风扇的目的是为了急剧增加通过发动机的空气量，从而提高发动机的“推力”。当您在机场看到商用喷气飞机的发动机时，您看到的是发动机的风扇。风扇非常大，大型喷气飞机的风扇直径在3米左右，因此可以带动大量空气运动。风扇带动的空气被称为“旁通空气”（bypass air），因为这种空气从旁边通过发动机的涡轮部分，然后直接高速到达发动机后面，产生推力。
涡轮螺旋桨发动机与涡轮风扇发动机相似，只是它在发动机前端安装的不是风扇，而是传统的螺旋桨。输出轴连接到变速箱，以降低速度。齿轮箱（变速箱）输出功率，带动螺旋桨旋转。
涡轮风扇发动机的目的是为了产生“推力”来推动飞机向前飞。公制通常以“牛顿”为单位（9.89牛顿约等于1公斤推力）。1公斤推力相当于一股可将1公斤物质加速到9.75米/秒2的力量（9.75米/秒2恰好等于重力加速度）。因此，如果您的喷气发动机可产生1公斤的推力，那么，假如飞机头朝下垂直竖立，发动机可以让1公斤重的物体悬停在空中。依此类推，如果喷气发动机可产生2000公斤的推力，那么，它可以让2000公斤重的物质悬停在空中。如果火箭发动机可以产生2000公斤的推力，并且作用于一个在空中飘浮的2000公斤重的物体，那么，这个2000公斤重的物体将获得9.75米/秒2的加速度。
推力的产生符合牛顿原理：“每个作用力都有一个大小相等的反作用力”。例如，假设您在宇宙中漂流，在地球上您的体重是45公斤。您手中有一个棒球，在地球上它的重量是0.45公斤。如果您以9.75米/秒（约34公里/小时）的速度将棒球抛出，您的身体将会按相反的方向运动（反作用力），速度为9.75米/秒。如果您以每秒一个棒球的频率，连续将棒球按上述方式抛出，那么，棒球将产生0.45公斤的连续推力。有一点要注意，如果您要连续产生一个小时的0.45公斤推力，您一开始就要拿3,600个棒球。如果您想做到更好，就要用更大的力量去扔棒球。如果您“扔”（例如，用枪来“射”）棒球的速度为9.75米/秒，就可以产生45公斤的推力。
就涡轮风扇发动机来说，它所抛出的棒球是“空气分子”。因为空气分子已经在那里了，所以至少不用飞机随机携带。单个空气分子并没有多重，但发动机抛出的空气分子数量多，而且速度非常快。在涡轮风扇发动机中，推力来自两部分：
- 燃气轮机本身——通常在燃气轮机的排气端会形成一个喷嘴（图中未显示），这个喷嘴可产生高速排气喷射流。从发动机排出的空气分子，时速一般可达2,092公里。
- 风扇产生的旁通空气——与涡轮排出的气体相比，旁通空气的速度较慢，但带动的空气量大。