燃气轮机发展

1.燃气轮机的发展概况

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。大功率重型燃气轮机除可用于发电外, 还可用作大型船舰动力, 是国家综合实力的重要象征。

燃气轮机自20世纪40年代问世以来，作为高效、节能、低污染的新型动力装置，经过战争需要的刺激和大批专家的努力，这一技术得到了高度发展并广泛应用于能源、电力、航空、航天、舰船、车辆、军事等领域。对于舰船，一般采用轻型或半重型燃机，燃气轮机由于受母型机的机型限制，单机功率不能很大。燃气轮机技术是一项多种技术集成的高技术，它的发展更是代表着一个国家和地区重大装备制造业的总体水平，代表着一个国家民族工业的能力，是发达国家国民经济的重要支柱产业，是典型的军民结合产品，它的发展对可以使我国的制造业总体水平取得快速进步，改善能源结构有着战略意义。当今，燃气轮机产业己经成为关系到能源和国防的重要产业，受到各国政府的重视。

1.1燃气轮机的历史和舰用燃气轮机的发展

燃气轮机是一种连续回转的内部燃烧、叶轮机械式的新型热机。其构造主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部分组成如图1.1.1所示。在正常工作时，燃气轮机的压气机从外界吸入新鲜空气，并对空气进行压缩。经过压缩的空气进入燃烧室，与燃油喷

嘴喷入的雾化燃油混合，在点火器的作用下发火燃烧(正常工作时靠火焰维持燃烧)，形成高温、高压的燃气。燃气被导入涡轮，膨胀做功，同时推动涡轮旋转，使得与涡轮直接相连的压气机和外负荷转子也一起高速旋转。通常情况下，涡轮发出的机械功率大部分用来驱动压气机,以维持燃气轮机的持续工作，其余小部分的功率可以通过输出轴和传动装置驱动外负荷。与现代舰船上常用的蒸汽轮机动力装置和柴油机动力装置相比，燃气轮机的热效率要优于蒸汽轮机动力装置，比柴油机动力装置稍显逊色。

图1.1.1燃气轮机结构示意图

人类对燃气轮机原理的认识可以追溯到上千年。

中国北宋年间出现的走马灯，就是利用燃烧产生的高温气体来驱动叶轮转动的，这可以说是燃气轮机原理的雏形。

1550年左右，画家列奥纳多#达#芬奇设计了自动烤炉，这个装置在机构设计上比走马灯更加接近实用化。

大约在18世纪末，欧洲有人提出现代燃气轮机的热力循环原理。由于材料和燃料的限制,使得在20世纪之前不存在设计、制造实用的燃气轮机的可能性。

1939年，瑞士BBC公司制成功率为4000千瓦、效率为18%的发电用工业燃气轮机。

1940年，BBC公司又制成了燃气轮机机车，功率达2200千瓦，效率为16%。

1947年，英国海军在MGB一2009号摩托炮艇上安装了一台燃气轮机，这是有史以来第一台舰船用燃气轮机。

1962年，世界上第一型全燃气轮机动力主战舰艇—苏联的“卡辛”级驱逐舰投入使用。

1968年，英国海军决定在新建造的大中型水面舰艇上全部采用燃气轮机作为动力装置。

时至今日，经过一个甲子的发展，燃气轮机在海洋特殊环境下使用的技术己经比较成熟，积垢、腐蚀、冲击振动、倒车等问题都取得了很大进展。

1.2 航空喷气式发动机改装舰用燃气轮机

英国在上世纪50年代研制采用重型结构的专用船舶燃气轮机，装舰运行的实践证明，由于其体积庞大、结构笨重、布局分散、操纵不便，使其并不能很好的满足研制者的初衷，再加上部件热膨胀、热应力的问题在舰上不好解决，低负荷的效率偏低，使得这类利用重型工业燃气轮机技术发展的舰船燃气轮机迅速被淘汰了。而航空喷气发动机经过战后十多年的高速发展，不仅保持了结构紧凑、重量轻的优点，推力、热效率也得到了很大的提高，寿命从初期的一百小时左右增加到数千甚至上万小时，完全具备了作为舰船动力的基础。因此，各航空工业大国都纷纷走上了利用成熟的航空喷气发动机改装舰船燃气轮机的道路。图1.2.1～1.2.3给出了典型的舰用燃气轮机的图片。

图1.2.1通用LM-2500燃气轮机

图1.2.2中国R0110重型燃气轮机

图1.2.3MT30燃气轮机

航空喷气发动机是按照飞机的使用条件来设计制造的，必须根据船舶、海洋环境的特殊要求，对航空喷气发动机进行适应性改造，才能获得堪用的舰船燃气轮机。一般来说，主要应进行以下几个方面的改动：

降低工作参数，在将航空喷气发动机改装为舰船燃气轮机时，最有效的方法就是降低燃气初温，同时降低转速。由于舰船燃气轮机在海平面高度工作，空气密度大、压强高，压气机的气动负荷也大，原先航空发动机适应高空大气状态的压气机必须进行适当修改，涡轮也要进行一定改动。对燃烧系统也要改装，例如采用调整油泵压力、改善燃油雾化等措施，以保证柴油的稳定燃烧，同时还要加强火焰筒结构，方式输出动力，以满足燃烧室的长寿命要求。由于舰船燃气轮机必须以轴功率的在使用航空喷气发动机改装时，要去掉加力燃烧室、推力装置等部件，在压气机涡轮后方配置符合性能要求的动力涡轮。尾喷管和反推力装置等

部件，在压气机涡轮后方配置符合性能要求的动力涡轮。在进行航空喷气发动机的舰船化改装时，必须增强零部件的抗污染腐蚀的能力，以提高部件的工作可靠性和寿命。

1.3航空燃气轮机分类和发展

用于飞机的航空燃气轮机有：

1. 涡轮喷气发动机，简称涡喷发动机。涡轮喷气发动机是最简单的一种航空燃气轮机，它只是在燃气发生器出口处安装了尾喷管，将高温高压燃气的能量通过尾喷管(推进器) 转变为燃气的动能，使发动机产生反作用推力。

图1.3.1 单轴涡轮喷气发动机

图1.3.2 双轴涡轮喷气发动机

图1.3.3 加力涡轮喷气发动机

2. 涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机。为了克服涡轮螺桨发动机的缺点，提高飞机的飞行速度和高度，20世纪50年代中开始发展涡轮风扇发动机（图1.

3.4～1.3.6）。

图1.3.4 涡轮风扇发动机

图1.3.5 民用大涵道比涡轮风扇发动机

图1.3.6 军用小涵道比涡轮风扇发动机 3. 涡轮螺桨发动机，简称涡桨发动机。