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燃气涡轮发动机的基本原理

2019-07-09 14:12:59发布时间:   阅读量:20
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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。依据热力学定律,压缩机效率不可能大于1。

燃烧室

燃烧室由外壳(套)、火焰筒、喷(油)嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股:一股(约占1/4~2/5)进入火焰筒前部,与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气,经点火装置点火后燃烧。另一股(占3/4~3/5)从火焰筒与外套间流过,对火焰筒壁面进行冷却,然后进入火焰筒与高温燃气掺混,使燃气温度降低,达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。

燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种:①直流式:气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。②折流式:气流由压气机流出后,折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。③回流式:压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回流。后两种形式气流流动损失大,但能缩短发动机的长度,一般用于采用离心式压气机的发动机中。

燃烧室按结构形式又分为管形燃烧室、环形燃烧室和环管形燃烧室。管形燃烧室中的每个管形火焰筒有单独的外套,组成一个单管燃烧室。一台发动机可以有若干个单管燃烧室,沿周向装在发动机上,其中几个燃烧室装有点火装置。各燃烧室之间通过联焰管来传焰和均压。管形燃烧室易调试,强度与刚性好、装拆与维护方便,多用于早期的燃气涡轮发动机以及空气流量很小的发动机上。环形燃烧室中的火焰筒为一整体的环形腔。同心地装在环形的壳体内。这种燃烧室空间利用率高,迎风面积、重量、压力损失、火焰筒表面积和长度都小,所需的冷却空气量少,出口流场沿周向分布均匀,广泛用于各种新型发动机中。环管形燃烧室有若干个管形火焰筒沿圆周均匀地装在一个共同的环形壳体内。各火焰筒间装有联焰管。它的结构介于管形燃烧室与环形燃烧室之间。50~60年代的发动机多采用这种结构。

涡轮

涡轮 电脑模拟燃气轮机通常使用轴流式涡轮,构造上与轴流式压缩机相似,同样是一组定子与一组转子合称为一级。涡轮叶片与螺旋桨及飞机机翼相似,气流流过时产生作用力,对转子叶片作功而使其转动,而能将气流的能量转换成机械能输出,因此气流在通过涡轮后,温度与压力都会下降。

与压缩机不同的是,涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能,因此叶片的形状与压缩机会稍有不同,重视的是气流通过时能产生的作用力,与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击,为了提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率,涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。叶片结构上也常使用一些特殊设计,例如常见的作法是将叶片设计为中空,然后将冷空气或冷却液导入内部,在叶片内部流动时可以产生冷却效果,还有在表面设计许多小孔喷出冷空气,随着空气流动而覆盖整个叶片,阻隔以避免高温空气直接冲击叶片,以达到保护的效果。

与压缩机相同,理想的涡轮应该是等熵过程,但是实际上通过涡轮后气流的温度和熵都会大于理想值,涡轮的效率定义为:

其中ηt代表涡轮效率,h3代表气流进入涡轮之前的焓,h4i代表理想状况下气流离开涡轮时的焓,h4a代表实际状况下气流离开涡轮时的焓。依据热力学定律,涡轮效率不可能大于1。

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