1.1燃气轮机简介
燃气轮机简称“燃机”，是一种以空气为介质，将燃料的化学能转变为高温、高压燃气的热能，再通过燃气涡轮将热能转变为机械能的动力装置，主要由压气机、燃烧室和涡轮三大核心部件组成，如图1-1所示为燃气轮机的基本结构。经过进气缸进入的空气被压气机压缩为髙压空气，与燃料混合之后进入燃烧室燃烧，然后通过涡轮膨胀做功，*后通过排气缸排出。
相比于蒸汽轮机，燃气轮机不用水蒸气作为工质，故可省去锅炉、冷凝器、给水处理等大型设备，因此比蒸汽轮机装置质量轻、体积小。从经济性看，目前燃气轮机装置效率已达40%复杂的联合循环效率可达50%以上。此外，燃气轮机还具有启动快、维修方便、运行可靠、自动化程度高、造价低等优点。
和蒸汽轮机装置相比，燃气轮机的主要缺点是单机功率比较小、运行寿命比较短、对燃料种类有较高的要求。但随着燃气轮机综合技术水平的不断提高，以上这些缺点逐步改进，应用领域也不断拓展。如通过采用燃气-蒸汽联合循环可以提高单套燃机发电装置的效率；燃气轮机的运行寿命也随着综合技术水平的提高而增长，目前已经达到数万小时；燃料的使用种类也不断增加，如燃烧重油和柴油的燃气轮机已经试制成功。
表1-1所示为燃气轮机、蒸汽轮机和柴油机这三种当前主流的动力装置特点比较。我们可以看出燃气轮机具有突出的优势，在工业领域有着广泛的应用前景。
鉴于燃气轮机在工业领域的重要地位，各国纷纷制定航空和地面燃机中长期发展规划，由政府出面组织全国各有关公司、各军兵种、研究机构及高等院校的技术力量，投入巨额研发资金，分工合作对燃气轮机总体方案、关键部件技术开展研究。20世纪50～90年代，40年间压气机增压比从5增加到25;涡轮进口温度T3（t3）从1200K（927°C）增加到1800K（1527°C），每10年增加150K。21世纪正在研发的航空燃机的压气机增压比w30，涡轮进口温度达1700～2000K。在世界范围内经过优胜劣汰，逐步形成由美国通用电气公司（GE）、日本三菱重工（MHI）、德国西门子公司（Siemens-WH）、欧洲阿尔斯通公司（Alstom-ABB）以及俄罗斯列宁格勒金属工厂（JIM3）五家大公司及其伙伴厂家高度垄断的局面，其燃机产量份额占世界总量的80%以上。目前，通用、西门子、三菱、阿尔斯通公司的重型燃气轮机产品，以及通用、索拉、罗罗的动力和发电用中小型燃气轮机产品体系，代表了国际燃气轮机制造业的*高水平。
图1-2是瑞士BBC公司于1939年制成的一台4MW发电用燃气轮机，效率17.4%，转速3000r/min，涡轮进口温度550°C。直到2002年8月18日，这个世界第一台商用发电燃气轮机，在历经1908次启停、服役63年之后由于发电机损坏才永久关停。
《国际预测杂志》指出，2014～2023年，发电用燃气轮机丨不包括微型燃气轮机）的产量约为12111台，总产值超过2190亿美元。其中，GE公司在产值方面是市场的领跑者，占到了47%的份额；而单以产量论，索拉涡轮公司的产量占到总产量的24%为*多。这些燃气轮机中将有约60%的功率低于50MW，以适应发展中国家分布式发电和调峰发电的需求；较大功率的燃气轮机将会被应用于发电厂的联合循环和工业的热电联供中。
中国燃气轮机产业起步晚，20世纪50年代航空燃机是仿制，并开始引进国外中小型地面燃机；60年代自制了几种3MW以下的地面和船用燃机；TO～80年代开始自行研制航空燃机，同时，地面燃机中轻型燃机的研发与应用达到高峰，应用多种燃料、针对四种航空燃机十多种改型的100多台燃机投入使用，另外制定的高性能航空燃机研发计划开始全面执行。80年代中期～90年代，重型燃机的合作生产和引进使用出现高潮。2000年以后，随着我国天然气资源大规模开发利用，“西气东输”以及引进液化天然气（LNG）等重大工程陆续开展，发展天然气联合循环电站成为我国能源结构调整的重要组成部分，受到国家的重视和大力推进，重型燃气轮机装机量迅猛增长。2003～2012年，东方电气、哈尔滨电气、南京电气、上海电气等动力设备制造企业分别引进MHI、GE、Siemens公司的F/E级重型燃机部分制造技术，进行本地化制造，使得燃气轮机装机容量跃上一个新的台阶。2010年全国燃气轮机电站总装机达到34000MW以上，与20世纪90年代相比，新增装机26.8GW，新增装机中2/3以上为打捆招标项目中的国产燃气轮机。经过多年运行经验的积累和不断摸索，2020年9月，由中国东方电气集团东方汽轮机有限公司牵头，首台自主研发的F级50MW重型燃气轮机整机点火试验成功，这也标志着我国重型燃气轮机事业进入新的征程。
“十三五”以来，国家更加重视燃气轮机自主研发技术的发展，投入巨资，设立“两机专项计划”，以追赶世界先进水平。随着我国综合国力的不断增强，出于国家对强大国防的需求，给予航空燃机研发的投入增加，对于燃气轮机的发展也是一个难得的机遇。
1.2燃气轮机应用领域
我们通常把燃气轮机分为“航空发动机”和“工业燃气轮机”这两个不同类别，之所以这么分有以下三个主要原因：第一，寿命要求不同，对于工业燃气轮机要求10万小时不需大修，而对于航空发动机则不需要这么长的寿命；第二，航空发动机对尺寸和重量的限制要求比燃气轮机在其他领域中的应用要严苛得多；第三，航空发动机可以使用从涡轮流出的燃气的动能，而在其他应用中这部分动能则是浪费的，因此应该使工业燃机排气动能尽可能低。尽管应用于这两类燃气轮机的基本原理是相同的，但这三方面的不同要求对设计有很大影响，所以要对这两类燃气轮机加以明确区分。
1.2.1航空发动机
航空发动机发展*重要的里程碑是1937年Whittle发动机的试验。从那时起，所有飞机除了轻型飞机外，燃气轮机以其高推重比的性能完全替代了活塞式发动机。从20世纪50年代开始，燃气轮机在航空领域的应用占绝对地位。在航空领域，燃气轮机的类型有以下几种。
祸喷发动机。图1-3是Rolls-Royce（罗罗公司）Olympus祸喷发动机的剖视图，这是批量生产的第一台双轴发动机，早期用于“火神”轰炸机，后来改进作为“协和号”超声速运输机的动力装置（Olympus也广泛用作发电和舰船动力的燃气发生器来驱动一个动力涡轮）。
涡桨发动机。图1-4是一台单轴涡桨发动机（罗罗公司的Dart发动机），釆用离心式压气机（两级）和单管燃烧室。对于低速飞机，把螺旋桨和喷气发动机结合能提供*好的推进效率。该发动机在1953年前后进入航空服役，功率约为800kW，在1985年仍有生产，现在的型号可以产生大约2500kW功率，且单位油耗大约降低了20%。涡桨发动机也可以设计成用一个动力涡轮驱动螺旋桨或螺旋桨加低压压气机的结构形式。如图1-5所示为普惠加拿大公司生产的PT-6发动机，该装置由3级轴流式+1级离心式组合压气机、回流环形燃烧室、燃气涡轮和动力涡轮所组成。该发动机的功率范围为450～1200kW，可应用于从单发教练机到四发短距起落（STOL）运输机。另一种使用动力涡轮的发动机是用于直升机上的涡轴发动机，这种发动机的动力涡轮通过一个复杂的齿轮箱驱动直升机旋翼和尾桨，通常两台发动机连在一个转子上。
涡扇发动机。涡扇发动机中部分空气由低压压气机或核心机（核心机由高压压气机、燃烧室和燃气涡轮组成）的旁路风扇流出，形成一股包围着核心热射流的冷却空气组成的环形推进射流，使发动机出口喷气平均速度降低，这不仅提髙了推进效率，还显著降低了排气噪声。图l-6（a）是小型涡扇发动机（普惠加拿大公司JT-15D）的示意图，这款发动机釆用双轴设计，离心式高压压气机匹配回流环形燃烧室。回流环形燃烧室匹配离心式压气机非常适合，这使流动从高的切向速度减速到低的轴向速度再进入燃烧室，这种结构应用广泛。该发动机结构极其简单，但性能良好，主要用于小型商务飞机上。图l-6（b）则是大型民用涡扇发动机的结构图，是由五国联合设计的V2500发动机。这种在大型飞机上使用的发动机，其燃油消耗的指标至关重要，需要设计高涵道比和高压比，且基本都是釆用轴流式压气机和直流环形燃烧室。
1.2.2工业燃气轮机
用于工业领域的燃气轮机的涡轮看起来与传统的蒸汽涡轮在机械结构上更相似，而在航空领域则需要更紧凑的结构设计。*初的工业燃气轮机功率不到10MW，即使釆用回热设计，循环热效率也仅有28%～29%。而后不断发展的航空燃机技术为更高功率的地面燃机设计提供了支撑，可以说，燃气轮机中大部分昂贵的研究经费都是由军方预算承担的，而工业领域的使用者却并未给航空燃机制造者提供利益。早期通过利用动力涡轮来替代排气喷管，把一台航空发动机更改为地面工业用燃机，能产生约15MW功率，循环效率达25%。具体的改造包括：对轴承进行加强，燃烧室改成可以燃烧天然气或柴油的，增加动力涡轮，下调发动机精度等级以获得长寿命。有些情况下，例如，船用螺旋桨，还要减少齿轮箱以匹配对应载荷的动力涡轮转速。对于其他类型的载荷，像交流发电机或管道增压泵，动力涡轮可以直接驱动。如Olympus发动机，在用于海军舰船时釆用单级动力涡轮，使设计的结构紧凑、质量轻。对于大直径的发电机，采用两级或三级动力祸轮以3000r/min或3600r/min的转速运转，直接与发电机相连，同时为满足涡轮直径的变化，需要增加两级涡轮间的管道长度。
图1-7是罗罗公司的Trent发动机的航空和工业版本。Trent发动机是大型三轴涡扇发动机，一级风扇由五级低压涡轮驱动。工业版本设计用于驱动发电机，用两级压比相似但流量低得多的压气机替代了风扇，其结果是低压涡轮能提供大附加功率来驱动发电机。由于受到Trent发动机原型机风扇叶尖速度3600r/miii的限制，在将其更改为工业燃机时，可以把低压转子的轴直接连到60Hz的发电机上，无须使用齿轮箱。在原有压比和涡轮前温度下，工业版本的TVent可以输出50MW的功率，热效率达到42%。图1-7也表示出了燃烧系统的主要变化，航空版本釆用的是常规全环形燃烧室，而工业版本则釆用了独立的径向单管燃烧室。之所以改为径向燃烧室，是为了满足氮氧化物排放的要求。
图1-8是一个小型电站的典型安装结构，使用的是单级航空发动机改型机，空气进气口远高于地面，以防止把碎片异物吸入发动机。
航空发动机的改型还被广泛应用于燃气和石油的管路输送系统、发电机和舰船动力中。
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