第二章
２．１燃气轮机的基本原理
运动方向
Ｆ＝ｍａ（力＝质量加速度）图２．１─１
２．１．１燃气轮机入门
要了解燃气轮机的工作原理，我们可用下面简单例子来说明一下：
见上图：一个充满空气的气球，气球的嘴子用一条绳子系住，空气的作用力在气球内壁的各个方向上都是相同的，气球放在那里是不动的。当绳子被解开时，空气从气球的嘴子中喷放出来，气球就会向气流的反方向运动，这是由于两个基本的自然物理法则来决定的：
Ａ．牛顿第三运动定律：对于任何作用力都存在一个反作用力，力的大小相等，方向相反。
Ｂ．牛顿第二定律：力等于质量乘以加速度
Ｆ＝ｍａ
在我们的例子中，空气从气球中以零速度加速喷出，所以会产生一个力，力的大小等于喷出空气的质量乘以其加速度。该力的反作用力大小与其相等，方向相反，作用在气球的前内壁上与气嘴的方向相反，从而导致气球沿喷气的相反方向运动。
前面讲到的气球的运动受气球内所含空气量的限制，气放完了，气球就会停下来。如果有一种方法，可以不断给气球补充空气，气球就不会停下来而一直运动。
图２．１─２
２．１．１燃气轮机入门（续）
上图中的小狗不断用打气筒给气球打气，气球连同滑板就会不断的前进了。
小狗太累了，我们找一种现代的办法：用一个电池和一个电风扇来给气球充气。
怎么能使滑板跑得更快呢，也就说如何增加滑板的推力？我们把装置改进一下：在气球内部提供燃料与空气一起燃烧，空气被加热并膨胀，从而导致从气球中喷出的空气加速更快。按牛顿第二定律，推动滑板的力就增大了。同样按该定律，我们可以想办法加大从气球中排出空气的质量（也可以说是重量）。举个例子，空气的温度从３０度下降到１５度时，每立方米空气就会更重。风扇吹到气球内的质量就会增大──力就会增大。另一个办法就是加大风扇的风量，单位时间内吹更多体积的空气进入气球。这样气球内的压力就会增高，每立方米内的空气因被压缩而更重──力也会增大。
得出结论：气温下降，小滑车会跑得更快；风扇吹出的空气的压力越大，小滑车也会跑得更快。
运动方向
Ｆ＝ＭＡ
图２．１─３
２．１．１燃气轮机入门（续）
见上图，我们把上面的装置再做一下改进，就成了一个燃气轮机的雏形。
把风扇的叶片多加几级，风扇也不再由电来驱动了。把一个风车装在排气嘴处，并用一根轴把风车和风扇联在一起。这样，当热的空气（燃气）加速通过风车时，风车把一部分热空气的能量转化成机械能并旋转。旋转的风车带动风扇一起转动，把空气不断地吸进球体，加热膨胀。这样小车除了需要不断补充燃料外，不需要其它任何外力就可以不断前进了。燃料量增加时，就会产生更多的热空气和更大的膨胀。热空气就会从气嘴中以更大的加速度喷出来，风扇就会转得更快，把更多的空气吸进球体，与高速排出的空气量相匹配。
这里有人会问，热空气从球体内向外喷放，应该是既向前（风扇）也向后（风车），这样空气不是进不来了吗？这的确是个问题，需要解决。为了解决这一问题，我们先了解一下收缩管与扩展管的特点。
收缩管扩张管
度增加，静压下降）
（速度下降，静压增加）
气流气流
图２．１─４
２．１．１燃气轮机入门（续）
见上图，空气或热燃气流经一个收缩管时，就会被加速到一个较高的速度，同时出口处的静压要小于前面平直段处的静压（静压是作用在内壁上的力）。通过收缩管的空气的力因加速增加而增加（力＝质量加速度）。最容易理解的是家中的水龙头，当关小阀门时，水的流速增加，水流的力就增加了。我们可以用手来感觉到。因此气球出口的形状如果是收缩管，它排出的力就大。
再看一下空气或热燃气流经扩张管时的情形，与上面恰好相反。流速减慢，静压增加。如果风扇的出口到燃烧区上游处为一扩张管形状，则会在此处产生一个高压空气墙（静压面）。这们空气及热燃气就不会向前而只会向后喷出了。
到此我们就可以结合实际的发动机来了解它的原理。前面谈到的起进气和压缩作用的风扇在实际的发动机中成了轴流式压气机；气球则成了燃烧室；风车则成了涡轮。一般用下图表示：
进气排气