涡轮的基本作用

涡轮的任务是为驱动压气机和附件提供功率，以及当发动机不单纯用于产生推进喷气流的情况下，它还为螺旋桨或旋翼提供袖功率。涡轮的工作是从燃烧系统释放的燃气流吸收能量，并将其膨胀到较低的压力和瘟度。在这个过程中产生很高的应力，而且，为了工作效率高，涡轮叶尖可能在高于1500英尺／秒的速度下旋转。涡轮经受的连续燃气流的进口温度可能达到850到1700℃，在涡轮部件中的燃气速度可能达到2500英尺／秒。

为了产生驱动扭矩，涡轮可以有若干级，每级有一排静止的导向器叶片和一排旋转的工作叶片（图1）。级数取决于需要从燃气流吸收的功率，发出该功率的旋转速度，及允许的涡轮直径。

轴的数量，因而涡轮的数量随发动机的型别而异。高压比发动机通常有两根轴，分别驱动高压和低压压气机（图2）。对于高涵道比风扇发动机，其以有－个中压系统为特点的，则在高压和低压润轮之间插入另一个涡轮，这就构成了三转子系统（图3）。在某些发动机上，其驱动扭矩来自自由动力涡轮（图4）。由于它与其它的涡轮轴和压气机轴在机械上是独立的，所以这种方法允许此涡轮在其最佳的转速下运转。

对于给定的级输出，涡轮工作叶片的平均速度对可能取得的最高效率具有很大的影响。对于给定的输出，燃气速度、转折角、以及损失都随较高的叶片平均速度的平方成比例地减少。涡轮盘的应力随转速的平方而增加，所以要在较高转速下保持相同的应力水平，截面厚度及重量应当不成比例地增加。正因为如此，最终的设计是在效率和重量之间折衷。发动机在更高的涡轮进口温度下工作，在热力学上效率会更高，具有更高的功率重量比。内外涵发动机具有较好的推进效率，因而对于给定的推力来说，它可以用较小的涡轮。

概括地讲，导向器叶片和涡轮工作叶片通道的设计主要依据空气动力学的考虑。从获得最佳效率，与压气机和燃烧室兼容出发，导向器叶片和涡轮工作叶片属于基本叶型。

涡轮有三种类型，即冲击式、反力式和这两种的组合-冲击反山式。对于冲击式涡轮，每级的总压降在固定的导向器叶片中发生。由于叶片的收敛形状，使燃气建度增加，同时降低压力。燃气被引向涡轮工作叶片，叶片承受燃气冲击在其上的冲击力。对于反力式涡轮，固定的导向器叶片设计将燃气流的方向改变，但不改变压力。收敛式工作叶片通道承受燃气膨胀和加速产生的反作用力。正常情况下，燃气涡轮发动机并不采用纯冲击或纯反力式涡轮工作叶片，而是采用冲击反力组合式（图5）。涡轮设计中每一种方式的比例大体上取决于装此涡轮的发动机的型别，一般来说，大约冲击式占50％反力式占50％。冲击式涡轮应用于火药和空气起动机。

涡轮的工作在于燃气流和涡轮之间的能量转移。由于热力和机械损失，这种转移不会达100％。

当在燃烧过程中燃气膨胀时，它被迫进入涡轮导向器。由于导向器的收敛形状，燃气被加速到接近音速，此时在当地燃气温度下，速度约为2500英尺／秒。同时由导向器叶片将燃气流沿涡轮工作叶片的转动方向“旋转”或“打旋”。通过对叶片的冲击和随后流过叶片时的反作用力，涡轮吸收了能量，导致涡轮高速旋转，于是发出驱动涡轮轴和压气机的动力。

作用在涡轮上的扭矩或扭转动力由燃气流的流量和燃气在涡轮工作叶片的进口和出口之间的能量改变所支配。涡轮的设计应保证从燃气流动中去掉涡漩。使燃气在涡轮的出口基本上是“直流的”，保证进入排气系统的是轴向气流。过多的残余涡漩台降低排气系统的效率，且易于导致喷管振动，它对尾锥体的支承和支柱具有有害的影响。