燃气轮机浅析

燃气轮机的发展及其结构

各种各样的发动机，是现代社会必不可少的工具。大到航母用的蒸汽轮机，小到心脏起搏器用的微型电动机，可以说发动机和我们的生活息息相关。发动机设计制造水平的高低，直接反映一个国家工业水平的高低。很遗憾我们国家在发动机这个领域和国外先进水平相差甚远。发动机的种类多种多样，外燃机内燃机，柴油机汽油机轮机等等。今天我要给大家介绍的是燃气轮机。

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代的热机，它问世于20世纪40年代，短短的半个世纪多，已经获得了飞速的发展。燃气轮机的发展起源于战争，当时的活塞式发动机已经不能满足各类战斗飞机的性能要求，因此发展燃气轮机成为一种现实而迫切的需要。从50年代开始就在航空领域取得绝对的优势地位，取代了航空活塞式发动机。从60年代开始，军用水面舰艇也开始大量的应用燃气轮机。70年代末期美国的主战坦克开始采用燃气轮机；80年代燃气轮机开始走向民用化，高速客轮和高速船也采用燃气轮机作为动力来源。而随着燃气轮机技术的发展，其优越性进一步明显。现在，燃气轮机已经不仅仅用于军事交通等领域，在工业领域，石油化工，城市发电等方面，也应用越来越广。据统计，美国每年新增加和更新的发电设备中，有60%为燃气轮机电厂。1987年，美国生产的动力设备中，燃气轮机的总千瓦数已经超过了蒸汽轮机。据预测，在今后的10年新增的发电设备中，美国燃

气轮机将占66%，在世界范围内将占36%。

燃气涡轮发动机（Gas turbine engine或Combustion turbine engine）或称燃气轮机，是属于热机的一种发动机。燃气涡轮机主要由压缩机（compressor）、燃烧室（combustion chamber）、涡轮（turbine）等部份构成。无论是从结构还是工作原理来说，它都有别于内燃机，但是和蒸汽轮机工作方式相同，不同的是蒸汽轮机是外燃机儿燃气轮机是内燃式。我们都知道，活塞式发动机存在一个很大的缺点就是其做功并不是连续的，而且由于其完成一个做功周期所化的时间比较长，因而其最大功率受到了限制。而燃气轮机则不同，它的做功是连续的，因而其转速更加的快，做功能力更加的强。下面来大致的说说燃气轮机的做功原理：新鲜空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压缩机加压成高压气体，接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压气体，然后进入涡轮段推动涡轮，将热能

转换成机械能输出，最后的废气由排气管排出。而由涡轮输出的机械能中，一部份会用来驱动压缩机，另一部份则经由传动轴输出，用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统

等。

下面我来简要的额介绍下燃气轮机压气机.燃烧室.涡轮这三个部分。

压气机

压气机是燃气轮机装置中非常重要的一部分，它的功用是对气流做功，以提高气流的压力。一般燃气轮机的压缩机通常有轴流式和离心式两种，这两种的工作原理并不相同。轴流式压缩机会有许多的叶片，形状类似螺旋桨叶片，但是分为“静子”（stator）与“转子”（rotor）两种。转子就像螺旋桨一般地旋转，在旋转的过程中将气流向后推，这时气流的压力就会提高，温度也会升高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向，以正确的角度进入下一组转子。通常是一组转子和一组静子交互配置，而一组转子和静子就称为一级。根据转子的数目，可以把轴流式压气机分为单转子.双转子和三转子结构的压气机。目前船舶燃气轮机中，多为单转子和双转子压气机。压气机还有其他的分类方法，如根据其进口气流沿半径的相对速度可以分为亚音级和跨音级压气机，根据其通流形式可以分为等内径等外

径和等平均直径三种形式。

离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推，而产生加压的效果。一级的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比，对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择，但是由于气流是向外辐射，必须以大幅弯曲的通道折回内部，故能量的耗损也较大。压缩比是压缩机的主要性能指标，指的是气流压力在加压后与加压前的比，通常压缩比较高的燃气轮机，效率也较高，但是气流在压缩过程中温度会上升，考虑到涡轮所能承受的温度有一定的限度，压缩比太高反而不好。依据热力学定律，压缩机效率不可能大于1。

这两种压气机各有各的优点，轴流式压气机的总压缩比较大级数多，但是单级压缩比不及离心式的压气机。离心式压气机尺寸较小而且单级压缩比较大，但是其总的压缩比小，因而压缩能力比不上轴流式的。我们在实际应用中，可以将两者合并在一起，组成混合式压气机。燃烧室

燃烧室，顾名思义就是用来燃烧燃料额地方。它是保证燃气轮机在各种工况下，将燃料的化学能转化为热能，用来加热工资的装置。来自压气机的高压空气进入燃烧室后与喷入的燃料混合并燃烧，高压空气在燃烧室变为高温高压的燃气，具有了较大的做功能力。燃烧室直接关系到燃气轮机的性能，可靠性，寿命，因而他的制造便显得尤为重要。燃烧室的工作环境十分的恶劣：高温高压，还有腐蚀。燃烧室常出现的一些问题主要是以下几个方面：燃

烧室出口局部温度过高会引起涡轮叶片过热和烧毁；燃烧不稳定会导致燃烧室熄火和燃气轮机停车；燃烧组织不好，会使燃烧过程的流动损失增加，燃烧效率降低，燃料的消耗量增加；火焰筒和涡轮叶片工作表面会产生积碳，火焰筒壁面积碳，会使叶片过热变形甚至开裂。正是由于燃气轮机的重要性，因而其设计十分的重要。而一直以来，燃烧室的设计制造是一个难点，关乎到很多的方面，例如加工工艺，材料等。

涡轮

燃气轮机通常使用轴流式涡轮，构造上与轴流式压缩机相似，同样是一组定子与一组转子合称为一级。涡轮叶片与螺旋桨及飞机机翼相似，气流流过时产生作用力，对转子叶片作功而使其转动，而能将气流的能量转换成机械能输出，因此气流在通过涡轮后，温度与压力都会下降。与压缩机不同的是，涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能，因此叶片的形状

与压缩机会稍有不同，重视的是气流通过时能产生的作用力，与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击，为了

提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率，涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。叶片结构上也常使用一些特殊设计，例如常见的作法是将叶片设计为中空，然后将冷空气或冷却液导入内部，在叶片内部流动时可以产生冷却效果，还有在表面设计许多小孔喷出冷空气，随着空气流动而覆盖整个叶片，阻隔以避免高温空气直接冲击叶片，以达到保护的效果。依据热力学定律，涡轮效率不可能大于1。

无论是压气机还是涡轮，叶片都是关键的部分。我国与国外在燃气轮机方面的差距，很大一部分是叶片的差距。随着燃气轮机的发展，叶片已经不单单是刚开始时候的样子，现在国外一些先进的燃气轮机，其叶片十分的负载。内部布满了精心设计的冷却孔道，大大加强了

叶片的冷却效果，从而延长叶片的寿命，提高燃气的温度，也提高了燃气轮机的效率。这种叶片的设计和加工，我国和国外存在很大的差距。

发动机方面的弱势，已经越来越制约了我国工业，军事，电力等行业的发展。目前，我国的飞机和船舶，几乎都是用的国外进口的发动机，我国的汽车，用的也是国外淘汰的技术。国家认识到了这方面差距带来的不良后果，因而近些年加大了投入力度，大力发展我国的发动机技术，力争缩小和国外的差距。

以上便是我对于燃气轮机的初步认识。