第1章 概论
1.1 燃气轮机分类
燃气轮机是以空气为介质，靠燃烧室内燃料燃烧产生的高温高压燃气推动涡轮（透平）机械连续做功的大功率高性能动力机械。它主要是由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成的，再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。图1.1为简单循环燃气轮机工作原理。由图1.1可见：当机组起动成功后，压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压，被压缩后的空气进入燃烧室并与不断喷入燃烧室的燃料进行混合、点火、燃烧，高温高压燃气在涡轮中膨胀做功，降压降温的燃气经排气装置直接排向大气或引入废热锅炉回收部分余热后再排入大气。燃气在涡轮中所做的机械功中大约2/3被用来带动压气机，消耗在空气压缩功耗上；剩余的那部分功，则通过机组的输出轴带动外界的各种负载，如发电机、压缩机、螺旋桨、泵等。上述过程就是在燃气轮机中将燃料化学能转化为机械功的工作过程。
图1.1 简单循环燃气轮机工作原理
燃气轮机按不同分类方法分为不同类型，一般如图1.2所示。本书叙述的主要内容是轻型燃气轮机（以航空发动机改型为主）技术方面的内容，它利用了大部分航空发动机部件并吸收了航空发动机先进技术。
燃气轮机按使用对象区分航空用涡轮喷气发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机涡轮风扇发动机舰船用工业用按热力循环方式区分简单循环复杂循环联合循环按转子数目区分单转子双转子（分轴）多转子（套轴、三轴）按发展背景、结构形式、功重比区分轻型燃气轮机（以航空发动机改型为主）重型燃气轮机微型和超微型燃气轮机轻型燃气轮机由于受航空母型机的限制，单台功率不是很大（目前一般在5万kW以下），无法全面满足地面动力的要求，因此工业部门单独研制了功率等级较大的重型燃气轮机。重型燃气轮机早期吸收了蒸汽轮机技术，后来不断地吸收航空发动机的先进技术和经验，性能有了很大提高[1]。由此可见，轻、重型燃气轮机都利用和借鉴了航空发动机先进技术，因此本书也会涉及航空发动机技术的内容。
图1.2 燃气轮机分类
按热力循环方式区分燃气轮机类型是由于任何热机都必须借助一定的介质物质（工质）经历一系列热力过程才能实现热转功的循环而对外做功。按照循环工质流动与组织方式的不同，燃气轮机会在性能、总体布局及结构上有很大差异。为了提高燃气轮机性能（热效率和比功），除了一般简单循环，本书探索和总结了多种热力循环方式[2]。图1.3给出了比图1.2更为详细的热力循环分类。
1.2 国内外燃气轮机的发展概况
1939年是载入人类科技史的重要年份，这一年有两类不同用途的燃气涡轮机械获得成功应用：瑞士布朗勃法瑞公司（Brown Boveri Company，BBC）研制出世界上第一台4000kW发电用燃气轮机（πc=4.38， t4＝575℃）；德国人奥海英设计的世界上第一台飞机用燃气轮机Hes3B装在He178喷气式飞机上。从此以后，西方工业国家开始进入了燃气轮机开发、应用发展阶段。表1.1摘要列出了国外和国内燃气轮机发展的大事记。
表1.1 国外和国内燃气轮机发展的大事记
从表1.1及有关资料，可以归纳国外燃气轮机发展历程的几点结论。
1.国外燃气轮机研发、应用起步早
西方国家经过18～19世纪工业革命，奠定了机械制造业基础，内燃机、蒸汽机、蒸汽轮机在交通运输、机械传动等行业获得广泛应用。加上热动力技术的创新，以及热动力学理论的成熟，至20世纪40年代燃气轮机进入研发和应用阶段也就顺理成章了。
我国燃气轮机的发展起步于20世纪50年代末60年代初，当时的一些燃气轮机厂主要以自行设计或测绘仿制的方式进行生产，在70年代取得了一定进展，由于当时科研设施老化，研发队伍滞后，加之对燃气轮机产业的认识不足，严重制约了我国燃气轮机产业的发展[7]。
2.地面燃气轮机发展的主要推动力源于沿袭先进航空发动机技术
航空发动机迅猛发展始于第二次世界大战（1939～1945年），其后经历军备竞赛、空中优势、民机市场争夺，于20世纪50年代出现航空发动机“喷气化”，60年代出现航空发动机“涡扇化”。至此四种类型航空发动机获得应用，其后军用飞机所用航空发动机经历了五个更新换代阶段，其性能及相关技术突飞猛进，参见表1.2所列出的部分军用航空发动机性能指标。20世纪50～90年代，40年间压气机压比πc从5增加到25；涡轮进口温度T4（t4）从927℃增加到1527℃，每10年增加150℃；推重比F/W由4增加到10。21世纪正在研发的航空发动机的πc≈30， T4=1427～1727℃， F/W=15～20，民用航空发动机的总压比达到55以上，以进一步地降低耗油率。由于燃气轮机和航空发动机大部分的部件结构、整机系统、材料、装配工艺及设计、制造、服务等体系可共享，所以航改燃气轮机具有基础好、风险低、周期短和技术升级快等优势。航空发动机性能指标有如此惊人的提高，必然会促进整个燃气轮机技术的发展。
地面燃气轮机中的轻型燃气轮机是直接的受益者，表1.2同时列出了部分航空发动机改型为地面燃气轮机的性能水平变化。对航空发动机的发展也划分了几个阶段，可以从表1.2中发现在年代上正好滞后一段时间（7～10年）。这段时间是对新型航空发动机的可靠性检验，一般需要累计飞行数百万小时，这样可以减少改型的风险，缩短周期，减少费用；另外改型机的研制周期也要计入。
重型燃气轮机的早期发展是沿袭汽轮机技术，其性能指标处于低水平，t4为600～700℃，热效率ηt<20%。通过充分地吸收先进航空发动机技术，并与传统的汽轮机技术结合，重型燃气轮机性能才得以不断提高。20世纪80年代后期以前，重型燃气轮机功率增长迅速，但在技术上发展较慢。通用电气公司由MS3000系列、MS5000系列和MS7000系列，发展到MS9000系列重型燃气轮机，功率由10MW增大到123MW，压气机由15级增加到17级，压比由7.0增大到12.3，效率由25%提高到32%，联合循环的功率与效率分别达到167MW和47%。也就是说，
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