燃?xì)廨啓C(jī)概論

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體（空氣和燃?xì)猓楣べ|(zhì)，將燃料內(nèi)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膭?dòng)力機(jī)械。由于其轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，因而也稱為旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。 燃?xì)廨啓C(jī)正常工作時(shí)，需要不斷地從外界吸入空氣（工質(zhì)），并完成壓縮升壓、燃燒加熱、膨脹做功、排氣放熱四大過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)熱力循環(huán)后，才能連續(xù)地把燃料中的化學(xué)能通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換成機(jī)械功輸出。 用于天然氣輸氣管線增壓的離心式壓縮機(jī)采用燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)是一種理想的選擇。燃?xì)廨啓C(jī)有啟動(dòng)快、維護(hù)簡(jiǎn)便、壓氣站可以設(shè)在沒(méi)有電力供應(yīng)的荒漠、容易實(shí)現(xiàn)遙控、適于直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載（如離心壓縮機(jī)）等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1791年，英國(guó)人巴伯首次描述了燃?xì)廨啓C(jī)的工作過(guò)程；1872年，德國(guó)人施托爾策設(shè)計(jì)了一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，并于1900～1904年進(jìn)行了試驗(yàn)，但因始終未能脫開起動(dòng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行而失??；1905年，法國(guó)人勒梅爾和阿芒戈制成第一臺(tái)能輸出機(jī)械功的燃?xì)廨啓C(jī)，但效率太低而未獲得實(shí)用。 1920年，德國(guó)人霍爾茨瓦特制成第一臺(tái)實(shí)用的燃?xì)廨啓C(jī)，其效率為13％、功率為370kw，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點(diǎn)而被人們放棄。 隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們掌握了壓氣機(jī)葉片中氣體擴(kuò)壓流動(dòng)的特點(diǎn)，解決了設(shè)計(jì)高效率軸流式壓氣機(jī)的問(wèn)題，在30年代中期出現(xiàn)了效率達(dá)85％的軸流式壓氣機(jī)。與此同時(shí)，渦輪效率也有了提高。在高溫材料方面，出現(xiàn)了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃?xì)獬鯗?，于是等壓加熱循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)終于得到成功的應(yīng)用。 1939年，在瑞士制成了4Mw發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)，效率達(dá)18%。同年，在德國(guó)制造的噴氣式飛機(jī)試飛成功，從此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，并開始迅速發(fā)展。 隨著高溫材料的不斷進(jìn)展，以及渦輪采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果，燃?xì)獬鯗刂鸩教岣撸谷細(xì)廨啓C(jī)效率不斷提高，單機(jī)功率也不斷增大，在70年代中期出現(xiàn)了數(shù)種100Mw級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，最近幾年生產(chǎn)的重型機(jī)組甚至高達(dá)130Mw。 與此同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。1941年瑞士制造的第一輛燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)車通過(guò)了試驗(yàn)；1947年，英國(guó)制造的第一艘裝備燃?xì)廨啓C(jī)的艦艇下水，它以1.86MW的燃?xì)廨啓C(jī)作加力動(dòng)力；1950年，英國(guó)制成第一輛燃?xì)廨啓C(jī)汽車。此后，燃?xì)廨啓C(jī)在更多的部門中獲得應(yīng)用。

在燃?xì)廨啓C(jī)獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，還出現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)與其他熱機(jī)相結(jié)合的復(fù)合裝置。最早出現(xiàn)的是與活塞式內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合的裝置；50～60年代，出現(xiàn)了以自由活塞發(fā)氣機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組成的自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置，但由于笨重和系統(tǒng)較復(fù)雜，到70年代就停止了生產(chǎn)。此外，還發(fā)展了柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的復(fù)合裝置；另有一類利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統(tǒng)，可有效地節(jié)約能源，已用于多種工業(yè)生產(chǎn)中。 燃?xì)廨啓C(jī)的工作過(guò)程是，壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮，壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入渦輪中膨脹作功，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子帶著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。加熱后的高溫燃?xì)獾淖鞴δ芰︼@著提高，因而渦輪在帶動(dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)，尚有余功作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出機(jī)械功。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，需要用起動(dòng)機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，待加速到能獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)后，起動(dòng)機(jī)才脫開。 燃?xì)廨啓C(jī)的工作過(guò)程是最簡(jiǎn)單的，稱為簡(jiǎn)單循環(huán)。此外，還有回?zé)嵫h(huán)和復(fù)雜循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)來(lái)自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)。此外，還有工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)與其他熱機(jī)相結(jié)合的稱為復(fù)合循環(huán)裝置。

燃?xì)獍l(fā)生器主要由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鉁u輪三大部件組成。壓氣機(jī)有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機(jī)效率較高，適用于大流量的場(chǎng)合。在小流量時(shí)，軸流式壓氣機(jī)因后面幾級(jí)葉片很短，效率低于離心式。功率為數(shù)兆瓦的燃?xì)廨啓C(jī)中，有些壓氣機(jī)采用軸流式加一個(gè)離心式作末級(jí)，因而在達(dá)到較高效率的同時(shí)又縮短了軸向長(zhǎng)度。 燃燒室和渦輪不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最惡劣的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造，同時(shí)還須用空氣冷卻來(lái)降低工作溫度。 對(duì)于一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，除了主要部件外還必須有完善的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設(shè)備，包括：起動(dòng)裝置、燃料系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、空氣濾清器、進(jìn)氣和排氣消聲器等。 燃?xì)廨啓C(jī)有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長(zhǎng)，壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上。輕型的結(jié)構(gòu)緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機(jī)改燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)為最緊湊、最輕，但壽命相對(duì)較短。 與活塞式內(nèi)燃機(jī)和蒸汽動(dòng)力裝置相比較，燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是小而輕。單位功率的質(zhì)量，重型燃?xì)廨啓C(jī)一般為2～5千克/千瓦，燃?xì)廨啓C(jī)占地面積小，當(dāng)用于車、船等運(yùn)輸機(jī)械時(shí)，既可節(jié)省空間，也可裝備功率更大的燃?xì)廨啓C(jī)以提高車、船速度。燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺點(diǎn)是效率不夠高，在部分負(fù)荷下效率下降快，空載時(shí)的燃料消耗量高。 不同的應(yīng)用部門，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的要求和使用狀況也不相同。天然氣管道增壓壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用燃?xì)廨啓C(jī)的功率在30～50MW。100Mw以以上的重型燃?xì)廨啓C(jī)則用于于與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電機(jī)組。簡(jiǎn)單開式熱力循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（二）

一、燃?xì)廨啓C(jī)概述 燃?xì)廨啓C(jī)（GasTurbine）是一種熱動(dòng)力機(jī)械。它由燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪兩部分組成。燃?xì)獍l(fā)生器的壓氣機(jī)吸入大氣中的空氣并予以增壓，然后進(jìn)入燃燒室和從燃料噴嘴噴出的氣體或液體燃料混合并點(diǎn)火燃燒生成高溫、高壓燃?xì)?，燃?xì)膺M(jìn)入渦輪轉(zhuǎn)換成機(jī)械功帶動(dòng)壓氣機(jī)。從燃?xì)獍l(fā)生器流出的仍然具有相當(dāng)高壓力和溫度的燃?xì)庠趧?dòng)力渦輪里轉(zhuǎn)換成輸出軸的機(jī)械功，帶動(dòng)被驅(qū)動(dòng)設(shè)備：發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)或其他設(shè)備 1.燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：新燃?xì)廨啓C(jī)研制快，成本低 由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型的新型燃?xì)廨啓C(jī)大多沿用了航機(jī)十分成熟的技術(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)(如1964年羅羅公司的Avon航空發(fā)動(dòng)機(jī)改為燃?xì)廨啓C(jī)之前已有1000萬(wàn)小時(shí)以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)),大量使用了原先航機(jī)的零部件，并用生產(chǎn)航機(jī)的設(shè)備及工裝來(lái)制造燃?xì)廨啓C(jī)，從而大大減少了生產(chǎn)成本，節(jié)約了研制資金和加快了投產(chǎn)周期。項(xiàng)目建設(shè)周期短，投資少 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)十分緊湊，需用工作地面積較小，對(duì)廠房建設(shè)要求簡(jiǎn)單，因而建設(shè)快，投資費(fèi)用少。按1990年的數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電每千瓦的建設(shè)費(fèi)平均為350美元，是汽輪機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)方式費(fèi)用的1/2，煤發(fā)電的1/4，僅及核電的1/6-1/7。燃?xì)廨啓C(jī)效率高 由于采用性能更好的材料，改進(jìn)冶金工藝方法（定向結(jié)晶，單晶），采用了有效的葉片內(nèi)部冷卻技術(shù)（對(duì)流，沖擊，氣膜）來(lái)降低溫度，還在葉片上施加耐高溫的保護(hù)層（滲鋁，氣相沉積）等，改善了葉片的耐高溫性能，使燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前的溫度得到極大提高，從而有效地改進(jìn)了燃?xì)廨啓C(jī)的效率。如燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)系列的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前溫度可高達(dá)攝氏1430℃，機(jī)組效率達(dá)到了創(chuàng)記錄60%，燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，輕巧 航機(jī)改型的燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，有很高的功率/重量比，機(jī)動(dòng)性好，是沙漠，邊遠(yuǎn)地區(qū)，移動(dòng)式電站以及海上平臺(tái)最適用的動(dòng)力裝置。起動(dòng)快，自控程度高 起動(dòng)快，起動(dòng)功率低是燃?xì)廨啓C(jī)的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電力系統(tǒng)的高峰和應(yīng)急電源供應(yīng)有很好的適應(yīng)能力。電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，使燃?xì)廨啓C(jī)的控制已經(jīng)達(dá)到非常迅速和可靠的程度。除了在滑油，燃料氣等系統(tǒng)上還沿用反饋機(jī)理控制外，主要的系統(tǒng)已采用自適應(yīng)，多余度，自動(dòng)修正的控制方式，保證了機(jī)組的可靠正常運(yùn)行。維護(hù)，修理方便 燃?xì)廨啓C(jī)，特別是航機(jī)改型的燃?xì)廨啓C(jī)沿用了單元體結(jié)構(gòu)方式，修理和更換十分方便。必要時(shí)可以在十多小時(shí)中拆卸和換裝新單元體，換下來(lái)的單元體經(jīng)過(guò)修理/大修后可作為備件使用。運(yùn)行成本低，適應(yīng)能力強(qiáng) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率的不斷改進(jìn)，使航機(jī)改型的燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗也隨之降低。如羅羅公司由新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型的Trent30船用機(jī)組（36,000千瓦）的燃料消耗率僅為0.207千克/千瓦-小時(shí)，使燃?xì)廨啓C(jī)的燃料使用費(fèi)用相應(yīng)減少，此外，燃?xì)廨啓C(jī)的工作壽命也已足夠的長(zhǎng)（翻修壽命可達(dá)30000-50000小時(shí)），維護(hù)，修理方便，減少了停機(jī)損失，這一切使燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行成本大為降低。另外，燃?xì)廨啓C(jī)可使用多種燃料，如天然氣，煤油，煤層氣，重油，高爐氣等，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。排氣污染小 由于燃?xì)廨啓C(jī)使用了設(shè)計(jì)更為合理的，干低污染（DLE）的燃燒室及采用噴水等技術(shù)，使燃?xì)廨啓C(jī)排氣的Nox，SOX成分降低，排放污染情況得到較大的改善。如日本川崎重工的（Kawasaki）L-20A燃?xì)廨啓C(jī)（18MW）燒天然氣時(shí)的排放物NOx低于23ppm（ppm-百萬(wàn)分之一），CO為25ppm，達(dá)到了較低的水平，對(duì)更好地滿足環(huán)境/健康/安全（EHS）的有關(guān)要求非常有利。二.燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)和艦船領(lǐng)域的應(yīng)用2.1發(fā)電 80年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家以燃?xì)廨啓C(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)作為發(fā)電方式的應(yīng)用日益增多，1987年美國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量首次超過(guò)其他形式的發(fā)電量，專家預(yù)測(cè)，到2020年全世界燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電可能會(huì)接近50%左右。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電較好地解決了高峰及應(yīng)急用電及自備電源問(wèn)題。發(fā)電應(yīng)用是燃?xì)廨啓C(jī)最為重要的市場(chǎng)領(lǐng)域。2.2機(jī)械驅(qū)動(dòng) 石油和天然氣行業(yè)也是燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的重要應(yīng)用部門，在油田注水、注氣、輸油、輸氣管道增壓及其他驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合得到應(yīng)用，包括在軍用裝甲車輛，坦克上的使用等。2.3艦船 到1998年世界上有56個(gè)國(guó)家在上千艘艦船上使用了燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力，燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)量達(dá)2500多臺(tái)。在民用高性能商用船舶上的應(yīng)用也在增加。在1991至2000年的十年中總共生產(chǎn)了近千臺(tái)艦船用燃?xì)廨啓C(jī)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，燃?xì)廨啓C(jī)本身是一個(gè)高科技項(xiàng)目，有很嚴(yán)的技術(shù)要求，許多零件的技術(shù)要求并不比航空發(fā)動(dòng)機(jī)低，如P&W公司FT-8燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪盤在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)對(duì)加工過(guò)程的參數(shù)，刀具的鋒利狀況，表面層的變形程度和深度及金相組織均有嚴(yán)格要求，從而保證了零件在高溫和惡劣的環(huán)境條件下仍然能有很長(zhǎng)的使用壽命。燃?xì)廨啓C(jī)從設(shè)計(jì)、材料到生產(chǎn)，使用，維修都需要一定的技術(shù)，知識(shí)和技能，參與燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)、使用對(duì)提高我國(guó)的整體技術(shù)水平有很大的好處，另外燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其可靠性，經(jīng)濟(jì)性在發(fā)電行業(yè)已得到充分的確認(rèn)，作為驅(qū)動(dòng)裝置也以其靈活、緊湊、可靠等方面顯示出優(yōu)良的綜合性能。在艦船上的應(yīng)用，在運(yùn)輸車輛上的使用大大地改善了效率,提高了戰(zhàn)斗力及機(jī)動(dòng)性，可以說(shuō)注重燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)，生產(chǎn)和應(yīng)用會(huì)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到積極的作用。 西航公司在民品項(xiàng)目中以航空技術(shù)作為基礎(chǔ)，成功地開發(fā)、研制和生產(chǎn)了數(shù)種型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)和廢氣渦輪，有力地支持了有關(guān)部門的工作。在過(guò)去幾年中還參與了多種型號(hào)進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)的維修，修理和大修工作，提供的技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)得到用戶的普遍好評(píng)。在國(guó)際合作方面，承接了美國(guó)通用電氣（GE）公司LM2500渦輪盤的生產(chǎn)任務(wù)，由于交付及時(shí)，質(zhì)量可靠，已獲得對(duì)方批準(zhǔn)免檢直接進(jìn)入該公司裝配線，并成為該產(chǎn)品的惟一供應(yīng)商，至今已為GE加工了數(shù)千件優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。此外，西航還為中美合作項(xiàng)目FT-8燃?xì)廨啓C(jī)制造渦輪盤和其它零件。由于西航公司在燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)保養(yǎng)，修理，大修和生產(chǎn)方面的豐富的經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)實(shí)力，今后繼續(xù)在有良好發(fā)展前景的燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目上加大開發(fā)力度，必將會(huì)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面帶來(lái)雙重收益。燃?xì)廨啓C(jī)（三）Taurus（金牛座）60工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)有效功率Ne=Gwηm 式中 G動(dòng)力渦輪燃?xì)饬髁?，kg/s