涡轮的工作原理是将气体的能量转化为轴功，从而驱动风扇和压气机。在这个过程中，燃气热能经过涡轮膨胀、降温、降压而转化为机械能。在航空发动机中，轴流涡轮占主流地位。相比于压气机，涡轮中的压力梯度是负值，因此流道中允许存在更大的转角和压降，其流体的控制要比压气机容易。所以，涡轮中的级数也要相对少一些。涡轴发动机的自由涡轮按照自己的速度独立旋转，与其他涡轮或压气机没有任何机械关联。......
2023-07-30
航空发动机涡轮工作原理
【摘要】：图2-37涡轮级的原理在式和式中，下标 a 表示轴向分量，u为周向分量，而r 为径向分量。随后气流被引入涡轮工作叶片，通过转子叶片通道后，流体的静参数和滞止参数都发生了变化。在反力式涡轮中，转子叶片会受到因为流体膨胀和加速而引起的反作用力。动叶通道中焓降占整个涡轮焓降的比例定义为反力度R，即能量被不断从气体中提取，气体的周向速度逐步减小，单位功为负值。
在简化的一维流动中，对于每一级涡轮中的气体流动，都可以用静子或转子同一半径截面上的平均速度矢量表示，如图2－37 所示。相对速度w 和周向速度u 之间的矢量和就是叶片的绝对转速c：
若将导向叶片前的站位记为站位0，导叶后、动叶前的站位记为站位1，级出口处的站位记为站位2，速度三角形就可以用图2－37 中不同站位中的速度矢量表示。此外，流场中的每一点速度矢量都可被分解到任意一个直角坐标系的3 个方向上。
图2-37 涡轮级的原理
在式（2－30）和式（2－31）中，下标 a 表示轴向分量（平行于发动机主轴），u为周向分量，而r 为径向分量（垂直于发动机主轴）。为进一步简化，轴向分量可被设为常数，而径向分量可被忽略不计。
图2－37 中的速度三角形表明，导向器叶片使气流方向改变，增加了周向速度分量，引起绝对速度增大，同时压力减小。随后气流被引入涡轮工作叶片，通过转子叶片通道后，流体的静参数和滞止参数都发生了变化。由于流体冲击力的影响（冲击式涡轮）或后续流体的膨胀与加速（反力式涡轮），转子叶片将受到一个反作用力。
能量被不断从气体中提取，气体的周向速度逐步减小，单位功为负值。因此，气体在能量提取和转换前，必须存在旋转。显然，动叶转速越大或气流转折角越大，涡轮功就越大。在实际应用中，前者将引起较大的离心力，而后者会引起较大的气动损失。所以，在实际应用中要权衡好两者的关系。
随着气流在涡轮级中的膨胀，气流的静参数和滞止参数都有所减小（压力、焓与温度）。在冲击式涡轮中，几乎所有的静温和静焓降低都是在导向器中发生的，对应气流的加速非常明显。在反力式涡轮中，转子叶片会受到因为流体膨胀和加速而引起的反作用力。目前，航空燃气涡轮发动机中一般不会采用纯冲击式涡轮或反力式涡轮，而通常会把两者结合在一起使用。因此，导向叶片通道和工作叶片通道中静压降、静焓降是相互分开来的。动叶通道中焓降占整个涡轮焓降的比例定义为反力度R，即
显然，纯冲击式涡轮中的 R=0，而纯反力式涡轮中的 R=1。在冲击式涡轮中，导叶中速度很大，将会导致气动损失增大，所以在选择R=0.5 后，无论是导叶还是动叶通道中，流体速度值都是中等程度。相比之下，R=0.5 时反力式涡轮效率要高于纯冲击式涡轮。然而，冲击式涡轮拥有更高的焓降，所以它能输出近两倍的功，而对应的级数也仅仅为反力式涡轮的一半。从叶根到叶尖，反力度的值是变化的。通常情况下，反力度在叶根是最小的，而在叶尖是最大的，中截面的反力度为0.5。然而，在气冷涡轮中，反力度的值一般选取得相对较小。这是因为，导向器中气体的温降越大，旋转叶片相应的热负荷就会越低。
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