燃气涡轮发动机

燃气涡轮发动机

-

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。

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

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，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

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。