燃气轮机

燃气轮机（gas turbines）是一种旋转叶轮式热力发动机。它以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，从而将燃料的能量转变为机械能。燃气轮机的基本组成包括压气机、燃烧室、涡轮以及相关的辅助系统。对于简单理想燃气轮机的工作过程，通常使用布雷顿循环来描述。由于燃气轮机实际工作时，存在热量、压力、工质、机械方面的损失以及不可逆性，因此常用燃气轮机比功和热效率等参数来衡量燃气轮机的技术性能。燃气轮机最早的雏形可以追溯到唐宋时期，人们用燃气作为动力驱动铜轮、纸轮转动。到了工业革命时期，人们利用热力学循环知识对燃气轮机进行了设计生产。在后面的改进发展过程中，燃气轮机的应用领域不断扩大，可以用于动力发电、供热、航空航天、汽车船舰、油气输运、钢铁冶炼等诸多领域。

公元690年前后，唐朝张遂最早使用燃气作为动力驱使铜轮转动。

到了北宋年间，民间非常盛行的走马灯，就是燃气轮机的雏形。它通过冲压将空气抽进去，再利用灯燃烧后产生的热气体，来推动一个纸轮，从而驱动走马。

十六世纪五十年代，意大利工程师达·芬奇(Leonardo da Vinci)利用壁炉中的烟气来转动叶轮。

1791年，英国工程师巴伯(J.Barber)，利用热力循环知识科学地描述了燃气轮机的工作过程。

1872年，德国工程师施托尔策(F.Stolze)设计了首台燃气轮机，但无法脱离发动机独立启动。

约1905年，法国科学家勒梅尔(C. Lamale)和阿尔芒哥(R. Armengaud)也对燃气轮机的设计进行了一些探索，虽然可以对外输出功，但也因效率非常低而无法投入实用。

这些对燃气轮机的探索大多是伴随着19世纪末工业革命的浪潮展开

1920年，德国工程师霍尔茨 (H.Holzwarth) 做成了第一台实用的燃气轮机，效率可达13％。但这一燃气轮机是按等容加热循环工作，存在着只能间断爆燃等诸多问题。

到了1935年前后，随着空气动力学的发展和耐高温材料的突破，解决了压气机和涡轮效率效率低以及无法使用高温燃气的问题。等压加热循环的燃气轮机也得到成功地应用。

1939年，瑞士制成了4MW发电用燃气轮机，效率达18％，标志着第一代燃气轮机的使用。

20世纪70年代，美国GE公司研发的7F,7FA等“F”型燃气轮机，燃气温度≥1050℃；ABB公司研发的GT24和GT26型机组，压比可达30，燃气温度可达1235℃，标志着第二代燃气轮机的使用。

20世纪90年代，美国能源部牵头的“先进动力系统开发项目”的展开，标志着第三代燃气轮机的投入使用。

进入21世纪，燃气轮机朝着第四代——以近于理论燃烧空气量条件下工作，燃气温度超过1600~1800℃，采用新型陶瓷材料代替超级合金，更高的压比和效率等目标发展。

燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮三大关键部件组成，配置燃料系统、润滑系统、启动系统等附属系统及辅助设备。

燃气轮机中的压气机部件通常使用动力式压气机，包括轴流式、离心式和混合式三种。它的功能是将大气中的空气吸入并压缩，然后向燃烧室提供高压空气。因此通常要求其具有压缩效率高、单级压缩比大、气体流量大、特性可以与涡轮相匹配、工况稳定的区域宽以及可以良好地防喘振等特点。

燃烧室位于压气机与涡轮之间，用于将燃料的化学能转变为热能，为涡提供高温高压燃气。因此通常具有高温、高气流速度、高燃烧强度、高过量空气系数

(通常

，相比锅炉等

）的特点。按照结构可以分为圆筒型、分管型、环管型和环型四种。

又称为燃气轮或者燃气透平。它设置在燃烧室后面，是将燃烧室出来工质的热能转化为透平转子机械能的装置。通常由燃气导管、级组和排气扩压器组成。根据燃气在涡轮内部的流动方向，燃气涡轮分为径流式和轴流式。

燃气轮机除了由压气机、燃烧室和燃气涡轮构成的主体外，还有调节系统、起动系统、润滑油系统、压力工作油系统、燃料系统、冷却系统，以及各种油泵、风机、管道阀门、冷却器、加热器、起动机等众多辅助系统和辅助设备，以保证机组正常工作。

燃气轮机是通过热力循环将燃气的热能转化为机械动力输出的装置。在简单理想循环条件下，燃气轮机的循环可以用布雷顿循环描述。

图1. 简单理想循环下燃气轮机原理图

其中“简单”是指不考虑回热循环和再热循环；“理想循环”是指将工质视为理想气体，忽略热损失和机械损失。

布雷顿循环可以很好地描述的简单理想条件下，燃气轮机装置的工作过程。如图2所示，它由两个等熵过程和等压过程描述。

图2. 简单理想燃气轮机循环的压容图、温熵图

过程1~ 2，等熵过程

压气机消耗一定功w，吸入低温低压空气并其压缩，空气体积减小，压力增大，得到的低温高压气体并进入燃烧室；

能量表现形式：压气机的机械能转化为空气的压力能。

过程2~ 3，等压过程

低温高压气体和燃料在燃烧室混合燃烧，温度升高，压力不变，得到高温高压燃气；

能量表现形式：燃料的化学能转化为燃气的内能。

过程3~ 4，等熵过程

从燃烧室出来的高温高压燃气，在燃气涡轮中膨胀做功，压力下降，体积增大，温度下降，成为仍有一定温度和压力得乏气；

能量表现形式：燃气的内能转化为燃气涡轮的机械能输出。

过程4~1，等压过程

燃气轮机排出的乏气体排入大气，被大气或者水冷却。得到低温低压气体被压气机吸入后进行下一轮循环。

理论分析时，压气机和透平中工质都视为可逆过程。在实际工作过程中，气流与机械的各种摩擦导致的损耗，会造成压气机和透平中工质的热力过程并不可逆，循环中各个过程都存在着损失。

为单位质量工质所做的功，也就是指燃气轮机净输出功与压气机空气质量流量之比。

定义为式中

：表示空气质量流量，单位为

；

：表示燃气轮机输出的功率，单位为

；

比功是衡量燃气轮机热力学性能和尺寸的重要参数。比功越大，燃气轮机的热力学性能越好，输出功越大，燃气轮机的尺寸也越小。

为燃气轮机的输出功率与单位时间输人燃料所含热值之比。

表示为式中

：表示燃气轮机输出的功率，单位为

；

：表示燃料消耗量，单位为

；

：单位质量燃料的热量，单位为

；

热效率反映的是燃气轮机的燃料利用率。热效率越高，燃料利用率越高，燃气轮机也更经济。

燃气增压比

，是指燃气轮机中气体压缩或者膨胀前后压力的比值。在用布雷顿循环描述的简单理想燃气轮机中，

(图2所示的p-v图中)。

燃气增缩比

可以用于描述的燃气轮机的循环热效率，简单理想循环下，循环热效率为

。

其中，k为工质的比热比（单原子气体为

，双原子气体

、三原子气体

）

可以看出，燃气增压比越大，相应的燃气轮机的热效率越高。

燃气初温是指送入燃气涡轮的燃气温度，也是工质循环的最高温度。随着燃气初温的提高，燃气轮机的热效率和输出功率会得到明显提高，但燃气初温越高，燃气轮机的寿命越短，也受到高温材料和冷却技术的限制。

总压恢复系数：燃烧室的进排气管的通常存在一定阻力，它对燃气轮机性能有很大的影响。通常采用总压恢复系数来对压力损失进行评估。对于燃烧室的总压恢复系数

，定义为工质在燃烧室出口处的总压

与进口处的总压

之比，

。

冷却引气系数：压气机引气量占压气机进口总流量的百分数；

外漏气损失系数：表示压气机的外漏量占压气机进口总空气流量的百分数；

冷却引气系数和外漏气损失系数，是用于表征压气机在吸收空气时造成的热量和工质的损失。

与内燃机、蒸汽轮机等动力机械相比，燃气轮机同时兼备以下优点：

1. 重量轻、体积小、操作维护简便；
2. 功率密度高，适用于船舰航空等动力；
3. 单机热效率一般，但采用联合循环机组，效率将超过其他动力机械。
4. 起动加速快，起动的温度低，无需预热；
5. 燃料多样化，可以使用柴油、汽油、天然气等多种燃料工作；
6. 不需要额外设置冷却水系统；
7. 安装建设周期短；
8. 振动小，噪声低，在军用舰艇上用途广泛。

1. 燃气轮机的效率受温度限制，而高温会造成叶片寿命急剧下降，若采用耐高温材料会增加制造和使用成本。
2. 由于是连续做功，需对涡轮叶片冷却，存在较大的技术困难。
3. 燃气轮机在使用时，燃料中的氮元素会在高温下产生氮氧化物；此外高温的工作条件，会导致空气中的氮气和氧气反应产生氮氧化物。随着燃气轮机使用温度的提高，氮氧化物的含量会急剧增加。
4. 燃油消耗量高、需要消耗大量空气。
5. 变工况性能差，尤其是在低转速部分负荷时，不仅热效率低，还会进一步增加油耗。
6. 燃气轮机运行过程中存在各种较大的损失，因此经济性较差。加上制造困难，成本高。

简单循环的燃气轮机在理想情况下按照布雷顿循环工作。具有结构简单、轻小，容易调节，但效率低的特点。适用于一些要求不高的场合，例如某些小型发电厂。

另外简单循环又可以分为开式循环和闭式循环，开式循环——工质来自大气又排入大气；闭式循环——工质与外界隔绝被封闭地循环使用。

实际过程为了提高燃气轮机的效率，通常会在简单循环的基础上进行改进，得到回热循环、间冷循环、再热循环等多种复杂循环的燃气轮机。适合需要高效率和更广泛应用的场合，例如大型发电厂以及船舰动力推进系统。

回热循环：通过加装回热器，形成回热循环，从而提高热效率。

间冷循环：在压缩过程中间，将部分工质引至冷却器，冷却后再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程，称为间冷循环。

再热循环：在膨胀过程中间，把工质引出至再热燃烧室中加热后，再回到涡轮中继续膨胀以完成膨胀过程，称为再热循环。

间冷循环和再热循环可以提高热力循环的比功，此外还有将间冷-回热，再冷-再热等组合形式的复杂循环燃气轮机。

传统联合循环是指利用燃气轮机的余热产生的水蒸气，导入蒸汽机中，实现燃气-蒸汽联合循环。一般在大型发电厂中使用，可以很好的提高能源发电效率。

随着发展，出现了多种新型联合循环，如注蒸汽燃气轮机联合循环、湿空气透平循环、卡林那联合循环、氢氧联合循环、燃料电池联合循环、化学链燃烧的动力循环、燃煤联合循环等。

单轴燃气轮机：结构简单，但工况调节范围窄，一般用于发电饥组。

分轴燃气轮机：结构紧凑，但较复杂，启动功率小，变工况性能好。适用于变转速负荷及作为牵引动力，如车辆和流体机械等。

一般是指大、中功率不能整体移动的固定燃气轮机装置。它们可以是重载荷型燃气轮机，也可以是航泛改型燃气轮机。

包括大中小型海陆空运输工具的燃气轮机，以及箱装式，移动式和便携式燃气轮机。它们大都是航机改型或轻结构工业型燃气轮机。

按结构形式和功重比分类：重型燃气轮机、轻型燃气轮机(以航空发动机改型为主)、微型和超微型燃气轮机。

按用途分类：工业用燃气轮机，船舰用燃气轮机，航空航天用燃气轮机。

按压气机的结构：涡轮式和动力式压气机，动力式压气机又包括轴流式、离心式和混合式三种。

燃气涡轮的一大用途就是发电。以燃气轮机和发电机为核心的简易燃气机组循环发电系统，具有装机容量大，起停时间短的优点，主要应用在电力系统的电力调峰、交通和工业等领域。

由于燃气轮机具有结构紧凑、重量轻、振动小、操作灵活等优点，非常符合船舰对动力的需求。用于船舰领域的燃气轮机，通常采用多种先进复杂循环方式。并且由于海洋环境恶劣，对燃气轮机有更严苛的要求，包括抗高盐雾和海水腐蚀、抗水下爆炸引起的巨大冲击、可以经受频繁的工况变化以及长时间高负荷运行、更长的翻修寿命。

自从1950年，英国Rover公司实现第一辆燃气轮机汽车制造以来，车辆燃气轮机的发展从未间断过，其机组性能也不断得到提升。用于车辆领域的燃气轮机通常需要达到下面的要求：(1)效率高平均油耗率低；(2)能适应不同行驶状态的要求；(3) 污染排放低；(4) 抗颠簸振动；(5) 抗沙尘；(6) 能适应环境温度的巨大变化。(7) 噪声低；(8)能燃用多种燃油；(9) 维修方便等等。

由于燃气轮机可以连续做功，输出功率高且重量轻，以及优异的喷气推进效率，因此燃气轮机作为喷气式航空动力具有绝对优势。基本类型有：用于飞机的涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺奖发动机，用于直升机的涡轮轴发动机。对各种航空燃气轮机的基本共同要求是：重量轻、省油、工作安全可靠、启动迅速可靠、加速性好，以及抗冲击。

燃气轮机排出得乏气仍然具有相当高得温度，可以在涡轮排气扩压器出口，通过安装余热锅炉的方式回收热量，生产热水或者蒸汽。用于供暖、蒸汽轮机组、或者部分回注到燃气轮机以提高燃气轮机输出功和效率。

管道输送天然气为克服流动阻力，常需用压缩机将天然气压缩升压。使用燃气轮机驱动离心压缩机的增压机组，在大功率范围内(上千kW)是一种非常经济合适的方式。一般将燃气轮机驱动的离心压缩机通常要求燃气轮机和离心压缩机的性能是相互匹配的。

石油长距离管道输送是最经济的方法，它需用泵站将原油升压来输送，泵站中广泛用 离心泵，现大多用电动机来驱动。但是，在缺电、边远和荒漠无人的地区，以及大容量的输油管线中，应用燃气轮机作驱动动力则是较合适。

在钢铁冶炼工业中，会产生大量可燃气体的副产品（高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气），将这些副产品用于燃气轮机，一方面，燃气轮机产生的高压气流可以直接分流用于高炉供气；另一方面，燃气轮机产生的电力和机械动力可以返回给冶炼高炉使用。

常见故障及原因分析

不同规模的燃气轮机的发展趋势有所差异，但各种燃气轮机的总体的发展趋势是：

1. 提高燃气初温、压气机压比，从而提高改善输出功率、热效率等参数；
2. 拓宽燃料适用范围，满足燃料多样性的需求；
3. 进一步降低和CO的排放；
4. 采用新型热力循环和新工质以及完善控制系统，从而优化总体性能；
5. 开发使用未来级的新一代高温材料与冷却技术；
6. 使用先进新型热力循环和新一代工质，来优化总体性能和完善控制系统。

另外对于重型燃气轮机，采用先进的气动设计技术来提高压气机与涡轮部件性能是一大重要的发展方向；对于中小型燃气轮机通过局部的设计改动，实现一机多用是其重要的发展方向；对于微型燃气轮机，高效燃烧室研究，变工况性能良好的压气机和透平是其一大重要发展方向。

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