燃气轮机

燃气轮机（Gas   turbine）这是一种旋转叶轮式热机。它以连续流动的气体为工作介质，带动叶轮高速旋转，从而将燃料的能量转化为机械能。燃气轮机的基本部件包括压缩机、燃烧室、涡轮机和相关辅助系统。简单而理想的燃气轮机的工作过程通常用布雷顿循环来描述。因为燃气轮机确实在工作，所以有热量、压力、工质、机械损失和不可逆性，所以燃气轮机的比功和热效率等参数常被用来衡量燃气轮机的技术性能。

燃气轮机最早的雏形可以追溯到唐宋时期人们用煤气作为动力来驱动铜轮、纸轮转动。在工业革命时期，人们利用热力循环的知识来设计和生产燃气轮机。在后来的改进和发展过程中，燃气轮机的应用领域不断扩大，可以用于发电、供热、航空航天、汽车船舰、油气输运、钢铁冶炼等许多领域。

燃气轮机由压缩机组成、燃烧室和涡轮由三个关键部件组成，它们配有燃油系统、润滑系统、辅助系统和辅助设备，如启动系统。

压气机：燃气轮机中的压缩机部件通常使用动态压缩机，包括轴流式压缩机、离心式和混合式三种。它的作用是吸入并压缩大气中的空气，然后向燃烧室提供高压空气。因此，通常要求具有高压缩效率、单级压缩比大、气体流量大、特性可以与涡轮机相匹配、工况稳定，面积广，能很好地防止浪涌。

燃烧室：燃烧室位于压气机和涡轮之间，用于将燃料的化学能转化为热能，并为涡流提供高温高压气体。所以它通常温度很高、高气流速度、高燃烧强度、高过量空气系数(一般与锅炉等相比）的特点。按结构可分为圆筒型、分管型、有四种类型环管型和环型。

燃气涡轮：也称为燃气轮机或燃气轮机。它布置在燃烧室后面，并且是用于将来自燃烧室的工作介质的热能转换成涡轮转子的机械能的装置。通常由燃气导管、级组和排气扩散器。根据燃气在涡轮中的流动方向，燃气轮机分为径流式和轴流式。

辅助机构：除了压缩机之外，燃气轮机、除了由燃烧室和燃气轮机组成的主体外，还有一个调节系统、起动系统、润滑油系统、压力工作油系统、燃料系统、冷却系统，以及各种油泵、风机、管道阀门、冷却器、加热器、起动机等许多辅助系统和设备来保证机组的正常运行。

基本原理

燃气轮机是通过热循环将燃气的热能转化为机械能输出的装置。在简单理想循环条件下，燃气轮机的循环可以用布雷顿循环来描述。其中“简单”这意味着不考虑回热循环和再热循环；理想循环”意味着将工质视为理想气体，忽略热损失和机械损失。

布雷顿循环：布雷顿循环可以很好地描述燃气轮机装置在简单理想条件下的工作过程。如图2所示，它由两个等熵过程和等压过程描述。

过程1~ 2，等熵过程：压缩机消耗一定量的功W，吸入低温低压空气并将其压缩空气量减少，压力增加，获得的低温高压气体进入燃烧室；能量表现形式：压缩机的机械能转化为空气的压力能。

过程2~ 3，等压过程：低温高压气体和燃料在燃烧室中混合燃烧，温度升高而压力保持不变，得到高温高压气体；能量表现形式：燃料的化学能转化为燃气的内能。

过程3~ 4，等熵过程：从燃烧室出来的高温高压气体在燃气轮机中膨胀做功，压力下降，体积增大，温度下降，成为具有一定温度和压力的废气；能量表现形式：燃气的内能转化为燃气轮机的机械能输出。

过程4~1，等压过程：来自燃气轮机的废气被排放到大气中，并被大气或水冷却。得到低温低压气体被压缩机吸入，然后进行下一个循环。

实际简单循环：在理论分析中，压缩机和涡轮中的工作质量被视为一个可逆过程。在实际工作过程中，气流与机械之间的各种摩擦产生的损失会造成压缩机和涡轮中工质的热力过程不可逆，循环中的每个过程都存在损失。

优点

与内燃机、与汽轮机等动力机械相比，燃气轮机同时具有以下优点：重量轻、体积小、操作维护简便；功率密度高，适用于船舶航空等动力；单机热效率一般，但联合循环机组的效率将超过其他动力机械。

启动加速快，启动温度低，无需预热；燃料多样化，可以使用柴油、汽油、天然气和其他燃料；不需要额外的冷却水系统；安装建设周期短；低振动低噪音，广泛应用于军用船舶。

缺点

燃气轮机的效率受温度限制，高温会导致叶片寿命急剧下降如果使用耐高温材料，制造和使用成本将增加。

由于连续工作，需要对涡轮叶片进行冷却，技术难度较大。

使用燃气轮机时，燃料中的氮气在高温下会产生氮氧化物；此外，高温工况会导致空气中的氮和氧发生反应生成氮氧化物。随着燃气轮机运行温度的升高，氮氧化物的含量将急剧增加。

燃油消耗量高、需要消耗大量的空气。

不良的非设计性能，尤其是在低速和部分负荷下，不仅会导致热效率低，还会进一步增加油耗。燃气轮机在运行中有各种损耗，所以经济性差。此外，制造困难且成本高。

热力循环类型

简单循环：简单循环燃气轮机理想地根据布雷顿循环工作。具有结构简单、轻薄小巧，调节方便，但效率低。适用于一些要求不高的场合，比如一些小型电厂。

此外，简单循环可分为开式循环和闭式循环开式循环——的工作介质来自大气并被排放到大气中；封闭循环——的工作介质与外界隔离，并以封闭方式循环。

复杂循环：为了提高燃气轮机的效率，通常在简单循环的基础上对实际过程进行改进，得到回热循环、间冷循环、再热循环和其他复杂循环燃气轮机。适用于要求高效率和更广泛应用的场合，如大型发电厂和船舶动力推进系统。

回热循环：通过安装回热器，形成回热循环，从而提高热效率。

间冷循环：在压缩过程的中间，一部分工质被引向冷却器，冷却后再返回压缩机继续压缩过程，称为间接冷却循环。

再热循环：在膨胀过程的中间，工质被引出到再热燃烧室加热，然后回到涡轮继续膨胀以完成膨胀过程，这就是所谓的再热循环。

间接冷却循环和再热循环可以提高热循环的比功，此外还有间接冷却-回热，再冷-具有再热和其他组合形式的复杂循环燃气轮机。

随着发展，出现了许多新的联合循环，如蒸汽喷射燃气轮机联合循环、湿空气透平循环、卡林那联合循环、氢氧联合循环、燃料电池联合循环、化学链燃烧动力循环、燃煤联合循环等。

按轴系分

单轴燃气轮机：结构简单，但工况调节范围较窄，一般用于发电饥民群体。

分轴燃气轮机：结构紧凑，但复杂，启动功率低，非设计性能好。适用于变速负载和牵引动力，如车辆和流体机械。

使用安装分类

固定式燃气轮机 ：一般是指大、中等功率不可整体移动的固定式燃气轮机装置。它们可以是重型燃气轮机或航空改装燃气轮机。

运输燃气轮机  ：包括大中小型陆海空运输车辆的燃气轮机，以及箱式移动式和便携式燃气轮机。大部分是飞机改装或轻型结构工业燃气轮机。

其他分类

按结构形式和功率重量比分类：重型燃气轮机、轻型燃气轮机(以航空发动机改装为主)微型和超微型燃气轮机。

按用途分类：工业燃气轮机船用燃气轮机航空航天燃气轮机。

按压气机的结构：涡轮压缩机和动力压缩机，动力压缩机包括轴流式压缩机、离心式和混合式三种。

发电领域：燃气轮机的主要用途之一是发电。简易燃气轮机发电机循环发电系统具有装机容量大启停时间短的优点，主要用于电力系统调峰、交通和工业等领域。

燃气轮机

船舶领域：因为燃气轮机具有紧凑的结构、重量轻、振动小、操作灵活等，这非常符合船舶的动力需求。船舶领域使用的燃气轮机通常采用多种先进复杂的循环模式。而且由于海洋环境恶劣，对燃气轮机的要求更加严格，包括耐高盐雾和海水腐蚀、抵抗水下爆炸造成的巨大冲击、能承受频繁的工况变化和长期高负荷运行、更长的翻修寿命。

车辆领域：自1950年英国罗孚公司制造出第一辆燃气轮机汽车以来，车用燃气轮机的发展从未停止，其机组性能不断提高。用于车辆领域的燃气轮机通常需要满足以下要求：1)高效率和低平均油耗；2)能适应不同驾驶状态的要求；3) 低污染排放；4) 防撞击振动；5) 防尘；6) 能适应环境温度的巨大变化。7) 低噪音；8)能燃用多种燃油；9) 易于维护等等。

航空航天领域：燃气轮机连续工作输出功率高重量轻喷气推进效率优异，作为喷气航空动力具有绝对优势。基本类型有：飞机用涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、直升机用涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机。各种航空燃气轮机的基本通用要求如下：重量轻、省油、工作安全可靠、启动迅速可靠、良好的加速性和抗冲击性。

其他领域

供热：从燃气轮机排出的废气仍然具有相当高的温度，因此可以通过安装废热锅炉在涡轮排气扩散器的出口处回收热量，以产生热水或蒸汽。用于供暖、蒸汽轮机组、或者部分重新注入燃气轮机以提高燃气轮机的输出功和效率。

输送天然气：为了克服流动阻力，天然气通常由压缩机压缩和增压。使用燃气轮机驱动离心式压缩机的增压单元，在高功率范围内(上千kW)是一种非常经济适用的方式。通常，由燃气轮机驱动的离心式压缩机通常要求燃气轮机和离心式压缩机的性能相互匹配。

输送石油：石油的长距离管道运输是最经济的方法，它需要泵站来提升原油以进行运输 离心泵广泛应用于泵站，现在大部分由电机驱动。但是，在缺电、在偏远和沙漠地区，以及在大容量输油管道中，更适合使用燃气轮机作为驱动动力。

钢铁冶炼：在钢铁冶炼行业中，会产生大量的可燃气体副产品（高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气）这些副产品用于燃气轮机一方面，燃气轮机产生的高压气流可以直接分流用于高炉供气；另一方面，燃气轮机产生的电力和机械动力可以返回冶炼高炉使用。