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。

大部份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浮现它的身影。

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。

涡轮机的种类不少:
您可能听说过蒸汽涡轮机。

大部份发电厂使用煤、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
机电，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
汽涡轮机彻底不同，无非，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，而且分量很轻，因此风力涡轮机看上去一点儿也不像蒸汽涡轮机或者水力涡轮机，无非，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，都是通过燃烧丙烷、天然气、煤油或者喷气燃料等，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。

那末，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:
燃气轮机的功率分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
身分量的比率非常好。

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，燃气轮机的设计和创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。

它由三个部份组成:
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，这种发动机时常在直升机上使用，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，叶片呈排罗列(图上共有八排叶片)。

假设淡蓝色代表处于正常气压的空气，那末，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。

燃料普通采用煤油、喷气燃料、丙烷或者天然气。

吹灭一只蜡烛非常容易，如果您这样想，那末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份。

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彻底独立的、靠惯性运行的组件。

这个组件自由转动，与发动机其余部份没有任何关系。

而这就是燃气轮机最让人吃惊的部份——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，如果是坦克或者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。

无非，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。

无非，我们这里介绍的基本原理合用于所有燃气轮机，能匡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，其实这种发动机只无非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彻底独立的压缩级，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 米摆布，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”(bypassair)，因为这种空气从旁边通过发动机的涡轮部份，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，那末，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，那末，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，那末，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:“每一个作用力都有一个大小相等的反作用力”。

例如，假设您在宇宙中飘流，在地球上您的体重是 45 公斤。

您手中有一个棒球，在地球上它的分量是 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，那末，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“空气份子”。

因为空气份子已经
在那里了，所以至少不用飞机随机携带。

单个空气份子并没有多重，但发动机抛出的空气份子数量多，而且速度非常快。

在涡轮风扇发动机中，推力来自两部份: 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份子，时速普通可达 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。