深入解析燃气涡轮发动机的工作原理与结构

1. 燃气涡轮发动机的工作原理

燃气涡轮发动机，其工作原理与中国古老的走马灯有着异曲同工之妙。走马灯，这一唐宋时期颇受欢迎的玩具，其上方装有一个类似风车的叶轮。当灯内空气因燃烧而加热时，热气流上升，进而推动叶轮旋转，使得下面的小马也一同旋转起来。同样地，燃气涡轮发动机也是通过燃烧室产生的高压高速气体来推动燃气叶轮进行旋转。

燃气涡轮机，作为一种热机，其工作介质为空气，其中氧气起到助燃作用。燃料在燃烧过程中，空气受热膨胀并做功，从而将燃料的化学能转化为机械能。为了更深入地了解燃气涡轮机的工作原理，我们可以借助图2所示的原理模型剖面进行探讨。

从外观上看，燃气涡轮机模型呈现出一个大气缸的形态，前端设有空气进入口，中部则是燃料入口，而后端则是排气口（即燃气出口）。该机器主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部分组成。压气机位于左侧，其进气口负责引入空气，而内部的四排叶片则构成了压气机的四个叶轮，共同将进入的空气压缩为高压状态。中间部分是燃烧器段（即燃烧室），其中内置的燃烧器负责将燃料与空气进行混合并点燃。右侧则是涡轮（或称透平），它是空气膨胀做功的关键部件。而右侧的燃气排出口则负责排出做功后的气体。

图3进一步展示了燃气涡轮机的简单工作过程：首先，空气通过空气入口进入机器；随后，高速旋转的压气机将空气压缩为高压状态，其流向如浅蓝色箭头线所示；接着，燃料在燃烧室内燃烧，产生出高温且高压的空气；随后，这股高温高压空气会推动涡轮进行旋转做功；最终，做功完成后的气体通过排气口排出，其流向如红色箭头线所示。

在燃气涡轮机中，压气机是由涡轮通过主轴驱动进行旋转的。具体来说，压气机的叶轮与涡轮是安装在同一条主轴上的，这样它们就共同构成了燃气涡轮机的转子，其工作原理如图4所示。

燃烧室产生的高温膨胀气体同时作用于涡轮叶片与压气机叶片。为了确保涡轮能带动压气机进行正向旋转，涡轮叶片的工作直径需大于压气机出口处的叶片工作直径，同时，涡轮叶片的面积也需大于压气机出口处的叶片面积。这样的设计初步保证了在相同压力下，涡轮的输出力矩会超过压气机所需的力矩。然而，更为关键的是压气机叶片与涡轮叶片之间良好的空气动力学设计，它确保了两者能够高效运转。在燃气轮机的设计阶段，就必须确保涡轮机输出的功率超过压气机所需的功率，这样才能实现燃气轮机在驱动压气机的同时，还能向外部输出功率。

2. 轴流式压气机

压气机的主要功能是从外界大气中吸入空气，并经过增压后将其送入燃烧室。在压气机的工作原理方面，轴流式和离心式是两种主要类型。由于离心式压气机的工作原理与离心式鼓风或离心式风筒相似，因此在实际应用中较少使用。接下来，我们将深入探讨轴流式压气机的工作原理。

轴流式压气机的核心部件是叶轮，它由叶片和叶盘组成。其工作原理类似于电风扇的叶片：当电风扇的叶片旋转时，会拨动空气使其流动产生风；而压气机的叶轮在旋转过程中，则将空气推向气缸进行压缩。为了产生高压空气，压气机的主轴上装有多级叶轮，这些叶轮共同构成压气机的转子。转子上的叶片与主轴一同旋转，被称为动叶。然而，仅有动叶并不足以实现有效的压缩。因为空气经过动叶后，其运动方向不仅会轴向前进，还会随着动叶的旋转而运动。这会导致下级动叶的压缩效率显著降低。为了避免这种情况的发生，每级动叶后都会插入一级静止的叶片，即静叶。静叶的引入可以改善空气的运动状态，使其更有利于压缩。

图6展示了运动的动叶与静叶的相对位置与气流走向的示意动画，仅以两级动叶和一级静叶为例进行说明。其中，蓝色叶片代表静叶，绿色叶片代表动叶，而橙红色箭头则清晰地描绘了空气气流的流动方向。当转子开始旋转时，空气从轴向方向进入压气机，经过一级动叶后，其运动方向会转向右下方。若此时空气直接进入下级动叶，那么压缩效果将大打折扣。然而，通过静叶的巧妙整流后，空气的运动方向得以重新调整，转回轴向，从而能够更有效地进入二级动叶进行压缩。这一过程对于提升轴流式压气机的压缩效率至关重要。

转子被安置在压气机的气缸（或称外壳）内部，而静叶机匣则被稳固地固定在气缸的内壁上。

多数燃气轮机的压气机包含十几级，图7所示为一个12级压气机的剖面图。在此结构中，高速旋转的动叶将空气从进气口吸入，并经过逐级的压缩，最终转化为高压空气。由于压气机内气体的流动方向与旋转轴保持一致，因此被称为轴流式压气机。

压气机的一个重要性能指标是增压比，即其出口空气压力与进口空气压力之间的比率。从理论上讲，进入燃烧室的空气压力越高越有利于燃烧，但实际上，考虑到各种因素的影响，增压比通常控制在12至20的范围内。

燃气轮机的压气机通常由自身的涡轮机进行驱动。在燃气轮机启动阶段，会使用外部动力来带动压气机旋转，并将空气压缩后送入燃烧室。一旦燃气轮机成功点火并进入稳定运转状态，则压气机的旋转动力会转变为由涡轮提供。

3. 环管形燃烧室

燃气轮机的燃烧室是转换燃料化学能为热能的关键部件。它利用压气机压缩的高压空气，通过燃烧燃料（无论是液体如汽油，还是气体如天然气）来产生高温高压气体，进而驱动涡轮膨胀做功。图8展示了一个管式燃烧室的结构。燃烧室的外部设有空气入口和高温气体出口，分别连接压气机和涡轮。

燃烧室内配备了燃烧器，其作用是根据燃料的类型（液体或气体）进行适当的雾化或预混扩散。液体燃料通过喷嘴雾化后与空气混合燃烧，而气体燃料则通过喷嘴预混后燃烧。这两种过程都会产生高温高压气体，通过过渡段出口喷入涡轮。

此外，燃烧室内还设有火焰筒，它确保了火焰的正常燃烧。火焰筒的前段为主燃区，中段为补燃区，通过壁上的进气孔引入空气，保证完全燃烧。后段则形成了通向涡轮叶片的燃气导管，即过渡段。

在燃烧室中，气流按照白色箭头线的方向流动，完成了从燃料化学能到热能的转换。

目前，燃气轮机的燃烧室存在多种类型，其中圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室以及环形燃烧室是主要类型，而后两种类型在实际应用中较为普遍。接下来，我们将重点介绍环管形燃烧室。
环管形燃烧室呈现出一种独特的结构，它围绕燃气轮机的腰部形成了一个整体的燃烧空间。在这个燃烧室内，多个火焰筒（包括过渡段）被巧妙地布置。图9展示了一个由12个火焰筒共同构成的燃烧室剖面图。这些火焰筒环绕主轴一周，共享的燃烧室空间即为主轴周围的缸内空间。每个火焰筒的过渡段出口都精心对准了涡轮叶片，以确保高效的气流转换。

图10展示了一个火焰筒组件的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒共同构成，其外壳端部设有燃料（如天然气）入口。燃烧室内则装有燃烧器，其燃料喷嘴位于火焰筒前端内部。火焰筒尾部则联接有过渡段，上面装有可控流量的补气口。

当燃料通过燃烧室端部的入口进入后，会由燃烧器的喷嘴喷入火焰筒内。在此，喷入的天然气与压气机压入的高压空气在火焰筒内充分混合并燃烧。由于燃烧过程，气体温度急剧上升，随后，膨胀的高温高压燃气从过渡段喷出，进而进入透平做功。

图11中，白色箭头线代表压气机进入燃烧室的气流方向，而黄色箭头线则展示了燃烧室向涡轮叶片喷出气流的方向。通常，燃气轮机会装有六个至十几个火焰筒组件，它们在一个环形燃烧室内共同工作，因此被称为环管形燃烧室。

4. 轴流式涡轮

从燃烧室喷出的高压燃气推动涡轮旋转，将燃气的内能转化为机械能。这种涡轮也被称为透平。涡轮可分为轴流式和径向式两种，而燃气轮机通常采用轴流式涡轮，因此我们将重点介绍轴流式涡轮。

轴流式涡轮的工作原理类似于风吹动风车旋转，即燃气流推动涡轮叶片使其旋转。由于气流的主方向与涡轮轴平行，故得名轴流式涡轮。

涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘和涡轮轴组成。涡轮上的叶片，即动叶，是带动涡轮轴旋转的关键部件。通常，一个涡轮机内会安装一个至四个涡轮，而大多数燃气轮机的多个涡轮会共用一个转轴，共同组成涡轮转子。

在轴流式涡轮中，每组动叶前方都会安装一组静止的叶片，即静叶。静叶作为燃气的导向器，类似于喷嘴，它能使燃气以最佳方向喷向动叶。每一组静叶与动叶的组合构成了一级涡轮。图12展示了涡轮叶片的气流走向，其中蓝色叶片代表静叶，绿色叶片代表动叶，而橙红色箭头则清晰地显示了燃气气流的流动方向。

为了更有效地利用燃气的热能膨胀，从而获取最大机械能，大型燃气轮机通常设计为3级或4级涡轮。图13展示了一个包含4级涡轮的涡轮机剖面图，而图14则提供了该涡轮机的侧视剖面图。

5. 环管形燃烧室燃气轮机

燃气涡轮机发动机的结构形式多样，包括环形燃烧室燃气轮机、环管形燃烧室燃气轮机以及分管形燃烧室燃气轮机等。本文将聚焦于环管形燃烧室燃气轮机的介绍，其结构组成如图15所示。该燃气轮机主要由轴流式压气机、环管形燃烧室和轴流式涡轮三个核心部分构成。对于其他类型的燃气轮机，以及与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等的关联知识，读者可查阅相关章节进行深入了解。

燃气轮机中的压气机转子与涡轮转子被设计为共用同一根转轴，这样的设计使得它们能够协同工作，共同构成燃气轮机的转子。在运行过程中，涡轮不仅负责向外部提供动力，同时还会通过转轴驱动压气机一同旋转。这种巧妙的设计不仅提高了燃气轮机的效率，还确保了其运行的稳定性。图2所示即为燃气轮机的转子结构。

图3展示了燃气轮机的剖面结构。其转子被精心安装在机壳（或称为气缸）内部。特别值得一提的是，在压气机与涡轮之间，设计了一个环形的燃烧室。这个燃烧室内部，整齐地排列着12个管式火焰筒和12个燃烧器，它们共同构成了一个紧凑而高效的燃烧系统。通过燃料管的精准输送，燃料得以顺利进入燃烧器，为燃气轮机的运行提供必要的能源。

燃气轮机的工作流程如图4所示：空气首先通过进气口进入燃气轮机，随后被高速旋转的压气机压缩成高压空气，其流动方向如黄色箭头所示；接下来，高压空气进入燃烧室，在那里与燃料混合并燃烧，生成高温高压的燃气；这些高温高压燃气进一步推动涡轮旋转并产生功；最终，经过功转换后的气体从排气口排出，其流动方向如红色箭头所示。

目前，众多大型燃气-蒸汽联合循环发电机组普遍采用环管形燃烧室燃气轮机，这种设计在以天然气为燃料时，能有效减少对环境的污染。