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1、燃气轮机燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机 械，是一种旋转叶轮式热力发动机。中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮 机（透平）的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至 17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。概述1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机， 并于19001904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿 芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。
2、1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第 一台实用的燃气轮机，其效率为13%、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续 爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气 体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85%的轴 流式压气机。与此同时，涡轮效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600C以上高温的铬镍合 金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1939年， 在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞
3、成功，从此燃气 轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展，以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现 了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年 瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它 以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的 部门中获得应用在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最 早出现的是与
4、活塞式内燃机相结合的装置；5060年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自 由活塞燃气轮 机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气 轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热（或蒸汽）的全能量系统，可有效地节约能源，已用于 多种工业生产中。燃气轮机的工作过程是，压气机（即压缩机）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，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气 机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，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
5、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是最简单的，称为简单循环；此外，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，是开式循环；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。70年代末，压缩比最高达到31； 工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200C左右，航空燃气轮机的超过1350C。燃气轮机由压气机、 燃烧室和燃气涡轮等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴
6、流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。 在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压 气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击， 工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最 差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钻基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。 对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统 和设备，包括
7、：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。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、最轻，但寿命较短。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为25千克/千瓦，而航机一般低于 0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的 燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃 料消耗量高。不同的应用部门，对燃气轮机的要求和
8、使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而3040兆瓦以上的几乎全部用于发电。燃气轮机发电机组 能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运 行，所以应用广泛。在汽车（或拖车）电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。 此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，功率最小的在10千瓦以下。燃气轮机的未来发展趋势是提高效 率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进涡轮叶片的 冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。
9、再 次是提高各个部件的效率。高温陶瓷材料能在1360C以上的高温下工作，用它来做涡轮叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效 率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气 冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂（氦或氮等）同时作为压气机和涡轮的工质。蒸汽轮机燃气一蒸汽轮机联合循环，是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起 的装置，有时也简称为联合循环。为了提高热机的效率，应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热 温度。但蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述
10、要求。如把它们结合起来，以燃气轮机的排 热来加热蒸汽，就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。联合循环的 理论基础早已建立。热力学奠基人之一卡诺就提出过联合循环的概念。但是直到20世纪中叶，才开始有 实用的联合循环动力装置。发展联合循环的关键是要研制出高温、高性能、大功率的燃气轮机。为了适应 石油短缺的形势，在燃气轮机中有效烧煤也是一项关键技术。目前，世界各先进工业国家均已有定型联合 循环机组产品。其中功率最大的已超过60万千瓦，最咼热效率已咼达47%以上。它作为热电并供机组使 用，燃料利用率可咼达80%左右，单机组最长运行时间已超过10万小时。热机的热效率要提咼1
11、 %都是非 常困难的，而联合循环却只要把燃气轮机和蒸汽轮机结合起来就可以大幅度节约能源。二战时期的军舰主要是用柴油机和蒸气机.蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制 了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内 燃机的发展奠定了基础；汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点，和采用凝汽器以降低排汽压力的优点， 摒弃了往复运动和间断进汽的缺点；内燃机继承了蒸汽机的
12、基本结构和传动形式，采用了将燃油直接输入 汽缸内燃烧的方式，形成了热效率高得多的热力循环；同时，蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调 速器，阀门和密封件等，均是构成多种现代机械的基本元件。全球燃气轮机市场份额目前，全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家，全世界使用的工业燃气轮机约有 5万台，而且全球的燃机市场几乎被欧美市场所垄断。由于不同的历史背景，燃气轮机不同技术道路发展，一条以罗罗、普惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃 气轮机（俗称“航改机”；一条是以西门子、ABB、GE公司为代表，遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的 工业重型燃气
13、轮机（俗称“工业机”，主要用于机械驱动和大型电站。世界范围内市场主要被GE公司、西 门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗罗公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。燃气轮机的工作原理燃气轮机的工作过程是，压气机（即压缩机）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，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机 叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，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是最简单的，称为简单
14、循环；此外，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，是开式循环；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。70年代末，压缩比最高达 到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200C左右，航空燃气轮机的超过1350C。燃气轮机的内部结构燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高， 适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功
15、率为数兆瓦 的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长 度。燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作 条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钻基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工 作温度。对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚
16、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、最轻，但寿命较短。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为25千克 /千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空 间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下 效率下降快，空载时的燃料消耗量高。不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而3040兆瓦以上的几乎全部用于发电。燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好 地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车（或拖车）电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻 小，应用也很广泛。此外，还有不少利
