涡轮发动机工作原理：陈光详解涡喷发动机涡轮工作原理及航空发动机技术发展

涡轮发动机工作原理：陈光详解涡喷发动机涡轮工作原理及航空发动机技术发展

航空燃气涡轮发动机是现代航空器的心脏，而涡轮则是其核心部件之一。涡轮的主要作用是将燃烧室中产生的高温高压燃气能量转化为机械功，驱动发动机运转。本文将深入解析涡轮的工作原理及其技术发展，带你一窥航空发动机的奥秘。

燃气在涡轮中的流动

从图423中可以看出，高温高压的燃气首先流入涡轮导向叶片。导向叶片的通道设计独特，进口流道面积大于出口流道面积，形成收敛通道，确保燃气按照预定路径流动。

涡轮的类型

航空燃气涡轮发动机采用的是“反力式涡轮”，与水力涡轮、蒸汽涡轮的“冲击式涡轮”有显著区别。这是因为涡轮工作时，燃气从高压区流向低压区，气动工作条件优于压气机，无需担心“喘振”问题。此外，一级涡轮产生的功足以带动多级压气机，因此涡轮级数相对较少。

涡轮的结构由装在外环和内环之间的导向叶片组成，工作叶片则安装在轮盘上，形成精密的配合。

涡轮导向器与工作叶片的冷却

为了提高涡轮功率和发动机性能，需要增大涡轮进口温度和涡轮前后压力之比。然而，这给涡轮叶片材料带来巨大挑战。为解决这一矛盾，航空发动机研制部门采取了两项措施：

1. 提高涡轮叶片材料的耐高温性能
2. 改进叶片冷却结构和冷却方式

目前，大部分航空燃气涡轮发动机采用气冷涡轮，从压气机引出高压空气进行冷却。早期的冷却结构较为简单，通过在叶片上开孔实现冷却。近年来，冷却技术不断创新，包括对流、冲击、气膜、发散、层板等多种冷却方式，叶片冷却结构日益复杂，冷却效果显著提升，可达到350-400℃。

当前，研究人员正在开发超级冷却涡轮叶片，目标是将叶片材料温度降低500-650℃。如果实现这一突破，航空燃气涡轮发动机的性能将再次大幅提升。