燃气涡轮发动机
燃气涡轮发动机(Gas turbine engine 或 Combustion turbine engine)
或称燃气轮机,是属于热机的一种发动机。燃气轮机可以是一个广泛的称呼,基本原理大同小异,
包括燃气涡轮喷气发动机等等都包含在内。而一般所指的燃气涡轮发动机,通常是指用于船舶(以
军用作战舰艇为主)、车辆(通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种,例如坦克、工程
车辆等)、发电机组等的。与推进用的涡轮发动机不同之处,在于其涡轮机除了要带动压缩机外,
还会另外带动传动轴,传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等。
航空燃气涡轮机的组成
航空燃气涡轮喷气发动机主要由进气道(Intake)、压气机(compressor)、燃烧室(combustion
chamber)、涡轮(turbine)、喷管(Exhaust)等部分构
成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压气机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油
与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气,然后进入涡轮段推动涡轮,将燃气的焓和动
能转换成机械能输出,最后的废气由尾喷管排出。而由涡轮输出的机械能中,一部分会用来驱动
压气机,另一部分则经由传动轴输出(涡轮轴发动机),用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、
传动系统或飞行器螺旋桨等。
压气机的功用
压气机的功用是对气流做功,以提高气流的压力。一般燃气轮机的压气机通常有轴流式和离心式
两种。
轴流式压缩机会有许多的叶片,形状类似螺旋桨叶片,但是分为“静子”(stator)与“转子”
(rotor)两种。转子就像螺旋桨一般地旋转,在旋转的过程中将对气流加功,增大气流总压 P*
和总温 T*,这时气流的压力和温度就会提高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气
流导引回轴向,以正确的角度进入下一组转子,减小气流绝对速度 C1。通常是一组转子和一组
静子交互配置,而一组转子和静子就称为一级。
离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推向机匣,而产生加压的效果。一级
的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比,对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择,
但是由于气流是向外辐射,必须以大幅弯曲的通道折回内部,故能量的耗损也较大,效率低。
增压比是压气机的主要性能指标,指的是气流总压在加压后与加压前的比,通常增压比较高的燃
气轮机,效率也较高,但是气流在压缩过程中温度会上升,考虑到涡轮所能承受的温度有一定的
限度,压缩比太高反而不好。理想的压缩过程应该是等熵绝能过程,但是实际上压缩后的气流的
温度和熵都会
大于理想值,压力则低于理想值,而压
缩机的效率则定义为。
其中ηc 代表压缩机效率,h1 代表气流进入压缩机之前的焓,h2i 代表理想状况下气流离开压
缩机时的焓,h2a 代表实际状况下气流离开压缩机时的焓。依据热
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