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可是个很厉害的东西，那涡轮在其中扮演着超级重要的角色。它主要就是把燃烧室出来的高温、高压燃气的好大一部分能量变成机械功，这就能让涡轮高速地转起来，产生巨大的功率，从涡轮轴输出。就好比是一个能量转化的小能手，把燃气的能量变魔术般地转化为可用的机械功。

① 燃气在涡轮中的流动

咱先看看燃气在涡轮里是咋流动的。从图423就能看到燃气在涡轮导向叶片跟工作叶片中的流动情况。高温、高压的燃气刚开始是流入涡轮导向叶片的，这导向叶片的通道设计得很有讲究，进口流道面积比出口流道面积大，就形成了收敛通道。这就像是给燃气设了个特殊的轨道，让它按照一定的规则流动。

② 涡轮的类型

航空燃气涡轮发动机里用的都是“反力式涡轮”，这和水力涡轮、蒸汽涡轮那种“冲击式涡轮”可有很大不同。为什么会这样？这得从涡轮的工作条件说起。在涡轮这地儿，燃气从高压走向低压，它的气动工作条件可比压气机好太多了。不用像压气机一样担心“喘振”这种情况。而且，一级涡轮做的功都能带动多级压气机涡轮发动机工作原理，所以涡轮的级数比压气机少不少。

涡轮的结构也很值得一说。涡轮导向器是由装在外环和内环之间的好多导向叶片组成的，而工作叶片是装在轮盘上的。这就像是一个精密的配合，每个部件都有自己的角色。

③ 涡轮导向器与工作叶片的冷却

这涡轮要想发出大的功率，涡轮进口也就是燃烧室出口的燃气温度和涡轮前后压力之比也就是落压比得大，这两个数值越大，涡轮发出功率就越大，发动机总体性能就更好。但是，这里面有个矛盾的地方。既要想燃气温度高，但是涡轮叶片，不管是导向叶片还是工作叶片，长时间在高温燃气的冲击和侵蚀下，再加上工作叶片自己还承受很大的离心力，涡轮叶片材料表示“我太难了”，顶不住这样的情况，这就限制了燃气温度的提高，进而影响发动机性能的提升。

那咋办？航空发动机研制部门想了两个法子。一方面努力提高涡轮叶片材料耐高温的性能。另一方面就在叶片的冷却上下功夫，大部分航空燃气涡轮发动机都用气冷涡轮。不断改进叶片内部冷却通道的结构和冷却方式，来提高冷却效果。一般会从压气机引出高压空气来冷却涡轮叶片。看看图425就能知道典型的气冷式涡轮导向器叶片和涡轮工作叶片的冷却空气流路图了。

早期的涡轮叶片冷却结构就比较简单，就比如说工作叶片身上，从上到下开了好多圆孔或者特型孔，冷却空气从下面的孔进去，再从上面的孔出来，顺便就把叶片里的热量带走一部分，起到降温的作用。不过，近二三十年可不得了，对涡轮叶片的冷却结构改进了超多，像对流、冲击、气膜、发散、层板还有它们复合的冷却方式都有了，如今的叶片冷却结构特别复杂，当然冷却效果也是相当不错，能达到350 400℃左右。从图426的涡轮工作叶片冷却结构的变化就能看出这一发展趋势。

现在还在研究超级冷却的涡轮叶片，如果成了的话可以让叶片材料温度降低大约500 650℃，这要是真实现了，航空燃气涡轮发动机的性能肯定又能上一个大台阶。