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燃气轮机原理与结构解析

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

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做功的部件；右侧是燃气排出口。

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。

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

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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