涡轮发动机工作原理

经过小编的了解，在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，使发动机在不改变汽缸工作容积的情况下可以提高输出功率10％以上，因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化。

涡轮增压器

  
涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。 

  但是涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是，“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1．7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。但是随着技术的改进，这一缺点正在被逐步克服。

                               图1.涡轮增压

  涡轮发动机 

 虽然涡轮发动机可能有许多不同的运作原理，但最简单的涡轮型式可以只包含一个“转子”（Rotor），例如一个带有中心轴的扇叶，将此扇叶放置在流体中（例如空气或水），流体通过时对扇叶施加的力量会带动整个转子开始转动，进而得以从中心轴输出轴向的扭力。风车与水车这类的装置，可以说是人类最早发明的涡轮发动机原型。
　　

     依照不同的分类方式，涡轮发动机也可以分类成很多不同的型式。例如以燃烧室与转子的位置是否在一起来区别，就存在有属于外燃机一类的燃气涡轮发动机（Gas turbine），与属于内燃机的涡轮风扇发动机（Turbofan）。
　　

     如果将涡轮发动机反过来运作，则会变成一种输入力量之后可以将流体带动的设备，例如压缩机（compressor）与泵（pump）

                                图2. 涡轮发动机图解

有些涡轮发动机本身具有多组扇叶，其中部分是用于自流体汲取动力，部分是用于推动流体，二者不能混为一谈。举例来说在大部分的涡轮扇叶发动机与涡轮螺旋桨发动机中，位于燃烧室之前的扇叶实际的作用是用于加压进气，因此应被视为是一种压缩机。真正的涡轮机部分是位于燃烧室后方的风扇，被燃烧后的排气推动产生动力，再透过传动轴将力量输送至主扇叶（涡轮风扇发动机）或螺旋桨（涡轮旋桨发动机）处，推动其运转。 

涡轮发动机的工作原理

    发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量，提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。   

                                 图 3. 涡轮增压工作原理

     所有的涡轮发动机都 具备压缩机(Compressor)、燃烧室(Cumbustion)、涡轮机(Turbine，也就是涡轮发动机之名的来源)三大部份。压缩机通常还分成低压压缩机(低压段)和高压压缩机(高压段)，低压段有时也兼具进气风扇增加进气量的作用，进入的气流在压缩机内被压缩成高密度、高压、低速的气流，以增加发动机的效率。气流进入燃烧室后，由供油喷嘴喷射出燃料，在燃烧室内与气流混合并燃烧。燃烧后产生的高热废气，接著会推动涡轮机使其旋转，然后带著剩余的能量，经由喷嘴或排气管排出，至于会有多少的能量被用来推动涡轮，则视涡轮发动机的种类与设计而定，涡轮机会和压缩机一样分成高压段与低压段。

涡轮发动机的结构

　　现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，就必须遵循热机的做功原则：在高压下输入能量，低压下释放能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的，气体依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动机的四个工作位置。
          

                             图4. 涡轮风扇发动机原理结构
　　
       空气首先进入的是发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看作气流以飞行速度流向发动机，由于飞机飞行的速度是变化的，而压气机适应的来流速度是有一定的范围的，因而进气道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时，在进气道前和进气道内气流速度减至亚音速，此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍，大大超过压气机中的压力提高倍数，因而产生了单靠速度冲压，不需压气机的冲压喷气发动机。
           

                       图5. 涡轮发动机的优点
　　

进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力，温度升高。在亚音速时，压气机是气流增压的主要部件。
随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动机的基础上，又发展了多种喷气发动机，如根据增压技术的不同，有冲压发动机和脉动发动机；根据能量输出的不同，有涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和螺桨风扇发动机等

从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在涡轮喷气发动机中，气流在涡轮中膨胀所做的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后，涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比，涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。

　　从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力。

　　
　　喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机，但其优异的高速性能使其迅速取代了后者，成为航空发动机的主流。

小编了解到，现在的窝轮增压器 是安装在汽车发动机配气系统的一个装置它的作用就是依靠由发动机排气道的废气驱动涡轮增压器的叶片转动,从而带动另一侧处于发动机进气道的叶片转动,以此来增加发动机的进气量,也就提高了进气效率,使汽缸每次工作所产生的扭矩和功率也都大大提高.