1、 1 / 11 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。
2、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
3、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 ），是空气膨胀做功的部件； 右侧是 燃气排 出口。 2 / 11 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 。 3 / 11
4、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
5、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 ,转子上的叶片与主轴一同旋转，称为动叶。 光有动叶还不能有效的压气，简单说，空气经过动叶后运动方向不单是轴向前进，还沿着动叶旋转的方向运动。这会使下级动叶的压缩效率大大降低。倘若这样一级级下去，
6、压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团，根本无法正常压气。在每 级动叶后每 插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。 4 / 11 图 5-压气机转子 图 6 是 运动的 动叶与静叶的 相对 位置与气流 走向 示意动画（仅 演示 两级动叶一级静叶）。 图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示 空气 气流的走向。 转子旋转时，空气从轴向进入，经过一级动叶后空气运动角度转向右下方 ,这个角度的空气如果直接进入下级动叶 ,压缩效果会很差。但通过静叶整 流 后，空气运动方向转回轴向，再进入二级动叶压缩，效果可大大改善 ， 在鹏芃科艺 的燃气涡轮发动机的轴流式压气机章节有压气机叶片的气流走向
7、动画， 可形象演示这个过程 。 图 6-压气机 动叶与静叶气流图 转子安装在压气机的气缸（外壳）内（见图 7），静叶机匣固定在气缸内壁。 5 / 11 图 7-压气机结构 多数燃气轮机的压气机有十几级， 图 7 是一个 12 级压气机的剖面图。 高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。 压气机的主要参数是增压比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比。理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各种因素，较多为 12 至 20。 燃气轮机的压气机由本身的涡轮机带动， 燃气轮机启动时，先 使用外动力 带
8、动压气机旋转，把空气压入燃烧 室 。 燃气轮机 点火后 进入运转状态 ，则转变至由涡轮带 动压气机旋转压气。 3. 环管形燃烧室 燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。图 8 是一个管式燃烧室的结构示意图。燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡轮的高温气体出口。 燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料，燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口喷出。在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷
9、出的火焰在火焰筒内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空气进入补燃，保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为过渡段。在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流向。 6 / 11 图 8-燃烧室结构示意图 目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒 形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，后两种用得较多， 下面 介绍环管形燃烧室。 环管形燃烧室 只有一个整体的燃烧室， 环绕在燃气轮机的腰部，在燃烧室内有若干个火焰筒（ 包括 过渡段）。图 9 是由 12 个火焰筒组成的燃烧室剖面图， 12个火焰筒共用的空间就是燃烧室的空间， 也就
10、是燃烧段气缸内环绕主轴的空间 。火焰筒绕燃气轮机主轴一周排列，过渡段出口对向涡轮叶片。 图 9-环管形 燃烧室结构 侧视 图 10 是一个火焰筒组件的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在燃烧室外壳端部有燃料（天然气）入口，在 燃烧室 内装有燃烧器，其燃料喷嘴在在火焰7 / 11 筒前端内部。在火焰筒尾部联接过渡段，在过渡段上装有可控流量的补气口。 图 10-环管形燃烧室 火焰筒组件结构 燃料（燃油或 天然气 ） 通过燃烧室 端部燃料入口进入，由燃烧器喷嘴 喷入 火焰筒， 喷入的天然气 与压气机压入的高压空气 在燃烧室 火焰筒 里混合燃烧。燃烧使 气体 温度剧烈上升，膨胀的高温 高压燃气 从过
11、渡段 喷 出，进入 透平 做功。 图 11 中的白色箭头线是压气机进入燃烧室的气流走向；黄色箭头线是燃烧室喷向涡轮叶片的气流走向。 一般 燃气轮机有六个至十几个火焰筒组件， 在一个 环形燃烧室内安装多个火焰筒组件，故称为 环管形燃烧室 。 图 11-环管形 燃烧室 气流走向 4. 轴流式涡轮 从 燃烧室喷 出的高压燃气 推动 涡轮 旋转 ，把 燃气 的 内能转化为 涡轮 的机械能。8 / 11 涡轮也称 透平 。涡轮也分轴流式涡轮与径向式两类，燃气轮机大多数采用轴流式涡轮，本节介绍轴流式涡轮。 简单说轴流式涡轮的工作原理就像风吹风车旋转一样，是靠燃气流对涡轮上的叶片作用使其旋转的，由于气流主方
12、向与涡轮轴平行，故称之为轴流式涡轮。 涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘（叶盘）、涡轮轴构成，涡轮上 的叶片称为动叶， 也就是带动涡轮轴旋转的叶片。涡轮机一般有一至四个涡轮，大多数燃气轮机的几个涡轮共一个转轴，一同组成涡轮转子 。 在 涡轮每级动 叶的前方还安装一组 静止的 叶片 （静叶），静叶是燃气的导向器，起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为一级涡轮。 图 12 为涡轮叶片的气流走向图，图中 蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头 表示燃气气流的走向。在鹏芃科艺 的 燃气涡轮发动机的 轴流式涡轮章节有涡轮叶片的气流走向动画， 可形象演示这个过程。 图 12-涡轮叶片气
13、流走向图 为了充分利用燃气的热能膨胀做功，为获得最大的机械能，大型燃气轮机 一般 为 3 级或 4 级涡轮 ,图 13 是一个有 4 级涡轮的涡轮机剖面图， 图 14 是这个 4 级涡轮机侧视剖面图 。 9 / 11 图 13-4 级涡轮机 正视 剖面图 图 14-4 级涡轮机 侧视 剖面图 5. 环管形燃烧室燃气轮机 燃气涡轮机发动机有多种结构形式，有 环形燃烧室燃气轮机 、 环管形燃烧室燃气轮机 、分 管形燃烧室燃气轮机 等，本文根据前面介绍的环管形燃烧室介绍 环管形燃烧室燃气轮机 ，其他类型 燃气轮机 与 涡轮喷气发动机 、 涡轮风扇发动机 等相关知识可到 鹏芃科艺的燃气涡轮发动机章节查
14、找。 图 15 是 环管形燃烧室燃气轮机的外观图。主要由 轴流式 压气机、环管形燃烧室、 轴流式涡轮组成。 10 / 11 图 15-环管形燃烧室燃气轮机 燃气 轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一 根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转，图 2 是燃气轮机转子。 图 16-燃气轮机 转子 图 3 是燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室， 燃烧室内安装 12 个管式火焰筒与 12 个燃烧器，由燃料管向燃烧器输送燃料。 11 / 11 图 17-环 管 形燃烧室燃气轮机 剖面 燃气轮机工作简单过程见图 4：空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见黄色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃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 18-环 管 形燃烧室燃气轮机 气流走向 目前 许多大型燃气 蒸汽联合循环发电机组使用的燃气轮机是采用 环 管 形燃烧室燃气轮机 ， 利 用天然气作为燃料可以大大减少对环境的污染。
