第二章航空燃气轮机的工作原理

第2章航空燃气轮机的工作原理

Principle of Aero Gasturbine Engine

第2.1节概述

Introduction

涡轮喷气发动机是航空燃气轮机中最简单的一种，它是飞机的动力装置。涡轮喷气发动机在工作时，连续不断地吸入空气，空气在发动机中经过压缩、燃烧和膨胀过程产生高温高压燃气从尾喷管喷出，流过发动机的气体动量增加，使发动机产生反作用推力（图2.1.1）

图2.1.1 单轴涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机（图2.1.2）作为一个热机，它将燃料的热能转变为机械能。涡轮喷气发动机同时又作为一个推进器（，它利用产生的机械能使发动机获得推力。

图2.1.2 表示热机和推进器的单轴涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机，作为热机，它和工程中常见的活塞式发动机一样，都是以空气和燃气作为工作介质。它们的相同之处为：

均以空气和燃气作为工作介质。它们都是先把空气吸进发动机，经过压缩增加空气的压力，经过燃烧增加气体的温度，然后使燃气膨胀作功。燃气在膨胀过程中所作的功要比空气在压缩过程中所消耗的功大得多。这是因为燃气是在高温下膨胀的，于是就有一部分富余的膨胀功可以被利用。

它们的不同之处为：

•进入活塞式发动机的空气不是连续的；而进入燃气轮机的空气是连续的。

•活塞式发动机中喷油燃烧是在一个密闭的固定空间里，称为等容燃烧，而燃气轮机则在前后畅通的流动过程中喷油燃烧，若不计流动损失，则燃烧前后压力不变，故称为等压燃烧。

下面给出了涡轮喷气发动机的简图，图中标出了发动机各部件名称和各个截面的符号。

对于单轴和双轴涡轮喷气发动机的尾喷管，若为收敛性喷管，其出口截面9在临界或超临界状态下成为临界截面，故也可以标注为8。

0---远前方，1---发动机进气道入口，2---压气机入口，3---燃烧室入口,

4---涡轮入口，5---尾喷管入口，8---尾喷管临界截面,9---尾喷管出口

图 2.1.3涡轮喷气发动机各部分名称

请记住上图涡轮喷气发动机各个截面符号的含义。

思考题: 作为热机，燃气轮机与活塞式发动机有何相同和不同之处？

第2.2节航空燃气轮机的分类

Kinds of Aerogasturbine Engine

一、概述

用于飞机的航空燃气轮机有：

1. 涡轮喷气发动机，简称涡喷发动机。

2. 涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机。

3. 涡轮螺桨发动机，简称涡桨发动机。

用于直升飞机的航空燃气轮机有：涡轮轴发动机简称涡轴发动机。

作为燃气轮机，它们都有一个共同的部分：“燃气发生器”。顾名思义，燃气发生器为各类燃气轮机产生可转化为机械功的高温高压燃气。由于对高温高压燃气使用方法的不同，形成了不同类型的航空燃气轮机。燃气发生器有单轴（图2.2.1 ）和双轴（图2.2.2 )之分。

二、各类航空燃气轮机简图

1、涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机是最简单的一种航空燃气轮机，它只是在燃气发生器出口处安装了尾喷管，将高温高压燃气的能量通过尾喷管(推进器) 转变为燃气的动能，使发动机产生反作用推力。

图2.2.1 单轴涡轮喷气发动机

图2.2.2 双轴涡轮喷气发动机

对于军用歼击机所用的涡轮喷气发动机，为了能在飞机起飞和投入战斗时，在短时间内进一步增加发动机的推力，在涡轮后面再喷入燃油进行燃烧，为此在涡轮与尾喷管之间设置加力燃烧室，成为加力涡轮喷气发动机（图2.2.3）。

图2.2.3 加力涡轮喷气发动机

2、涡轮螺桨发动机

图2.2.4 涡轮螺桨发动机

在燃气发生器出口增加动力涡轮，涡轮螺桨发动机将燃气发生器产生的可用功大部分或全部从动力涡轮轴上输出，通过减速器驱动飞机的螺桨(图2.2.4）产生拉力；可用功的少部份作为燃气的动能从尾喷管喷出，产生较小的反作用推力，当喷射速度与飞行速度相等时，反作用推力为零，显然，飞机的螺桨是发动机的主要推进器。

飞行高度低飞行速度慢是使用涡轮螺桨发动机的主要缺点。装有涡轮螺桨发动机的飞机其飞行高度不超过5000米，其飞行速度一般不超过700公里/小时。飞行速度慢是由螺桨特性决定的。

3、涡轮风扇发动机

为了克服涡轮螺桨发动机的缺点，提高飞机的飞行速度和高度，20世纪50年代中开始发展涡轮风扇发动机（图2.2.5）。

涡轮风扇发动机有内外两个涵道，在内涵燃气发生器出口增加动力涡轮，将燃气发生器产生的一部分或大部分可用功，通过动力涡轮传递给外涵通道中的压气机，大多数情况下，外涵压气机叶片是将内涵压气机叶片向外延伸，习惯上将内外涵共用的压气机称为风扇。在外涵道中的风扇叶片、尾喷管和内涵尾喷管是涡轮风扇发动机的推进器。

外涵空气流量与内涵空气流量之比，称为涵道比，用B表示。

目前民用旅客机都采用大涵道比的涡轮风扇发动机，而军用歼击机所用的涡轮风扇发动机则为带有加力燃烧室的小涵通比涡轮风扇发动机。

图2.2.5 涡轮风扇发动机

图2.2.6 民用大涵道比涡轮风扇发动机

图2.2.7 军用小涵道比涡轮风扇发动机

4、涡轮轴发动机

涡轮轴发动机如图2.2.8所示，它用于直升机，与涡桨发动机相类似，将燃气发生器产生的可用功几乎全部从动力涡轮轴上输出，带动直升机的旋翼和尾桨。

图2.2.8 涡轮轴发动机

三、各类发动机截面划分

对于单轴和双轴涡轮喷气发动机的尾喷管，若为收敛性喷管，其出口截面9在临界或超临界状态下成为临界截面，故也可以标注为8。

2---压气机入口，2.5---低压压气机出口，3---燃烧室入口，4---涡轮入口，

4.5---高压涡轮出口，5---尾喷管入口，8---尾喷管临界截面，9---尾喷管出口

图 2.2.9 双轴发动机截面划分

对于涡扇发动机，其内涵截面标注方法与涡喷发动机相同。其外涵截面标注方法在相应截面后加2。如风扇压气机出口3截面写为32截面，尾喷管出口9截面写为92截面。