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燃气轮机与航空发动机
 

  燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质,将热能转换为机械能的旋转式动力机械。燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成,此外还包括起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气等附属系统。压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩,压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即进入涡轮膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气做功能力显著提高,因而燃气涡轮在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时,需用起动机带着旋转,待加速到能独立运行后,起动机才脱开。 

  燃气轮机的工作过程除了简单循环外,还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气,最后又排至大气,属于开式循环,此外还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。 

  燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻,所用材料一般较好,其中以航机的结构为最紧凑。燃气初温和压气机的压缩比,是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温并相应提高压缩比,可使燃气轮机效率显著提高。工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右,航空发动机的燃气初温超过1350℃。 

  航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,是为航空器提供飞行所需的动力。作为飞机的心脏,航空发动机被誉为“工业之花”,它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机共有3种类型:活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机和冲压发动机。活塞式航空发动机早期应用在飞机或直升机上,用于带动螺旋桨或旋翼。大型活塞式航空发动机的功率可达2500 kW,后来被高速性能好的燃气涡轮发动机取代,但小功率的活塞式航空发动机仍广泛用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机。燃气涡轮发动机应用最广,包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800 km的飞机;涡轮轴发动机主要用作直升机的动力;涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机;涡轮喷气发动机主要用于超音速飞机。冲压发动机特点是无压气机和燃气涡轮,进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压,它构造简单、推力大,特别适用于高速高空飞行。由于不能自行起动和低速下性能欠佳,限制了应用范围,仅用在导弹和空中发射的靶弹上。 

  中国科学院工程热物理研究所燃气轮机技术/航空发动机方向的科研基础及成果:研究所自建所以来一直坚持结合国家重大需求,在燃气轮机/航空发动机基础研究、关键技术攻关和整机集成方面开展研究工作。研究所创始人吴仲华先生创立的叶轮机械三元流动理论为我国叶轮机械的发展做出了杰出贡献,该理论今天仍被广泛应用于燃气轮机/航空发动机等叶轮机械设计中,发挥着极其重要的作用。经过多年努力,在重型燃气轮机燃烧室方面,研究所已建成中低热值燃料燃烧室全温高压全尺寸试验台,是我国迄今唯一的多燃料全温高压燃气轮机燃烧室研制试验设施;参与研制的QD128燃机项目,完成中低热值燃料燃烧室技术研发,并成功应用于我国首座油电联产示范工程。在轻型航空发动机方面,建成1500公斤推力及以下整机及关键部件综合试验台群,大幅提升了中科院在轻型航空发动机方面的水平,研发成果使研究所在历史上首次具备整机研发能力。