摘要：本文介绍了燃气轮机的技术特点及其在各个领域的应用，详细阐述了燃气轮机的系统组成，重点研究了其结构特点和技术经济性能，并展望了其未来的技术发展趋势。作为一种常见的热力发动机，燃气轮机在航空推进、船舶动力、海上平台、火力发电、军用车辆动力、油气运输等领域发挥着重要作用，对维护和发展国民经济建设和国防工业做出了不可磨灭的贡献。

关键词：燃气轮机；蒸汽轮机；柴油机；内燃机；经济性

1 燃气轮机的介绍和分类

燃气轮机是一种热力发动机，它可以将燃料的化学能转化为燃气的热能，然后通过涡轮将部分热能转化为机械能。燃气轮机的总体分类如表1所示。

燃气轮机具有重量轻、体积小、启动快、维护方便、运行可靠、自动化程度高、成本低等优点。与蒸汽轮机相比，燃气轮机的主要缺点包括单位功率低、使用寿命短、对燃料类型要求高。燃气轮机在机车领域的试生产早已成功。我国成功研制的长征二号燃气轮机车采用重油作为燃料，大大节省了燃料成本。随着燃气轮机缺点的不断克服，近年来燃气轮机已在许多领域得到广泛应用。

2 燃气轮机的应用与发展

燃气轮机启动迅速，常用于火电厂承担峰值负荷或作为备用机组[5]。燃气轮机也适用于小型火电厂承担基本负荷。由于其体积小、重量轻、维护简便、机动性好等优点，燃气轮机也常用于移动式电厂或列车电厂。在船舶领域，燃气轮机常用作水面舰艇的加速装置，以及水翼船、气垫船等高性能船舶的主要动力源。在航空领域，燃气轮机也得到广泛应用。目前，燃气轮机在国民经济建设和国防工业体系中发挥着较为重要的作用。燃气轮机的应用分类如表2所示。

早在20世纪70年代，我国就具备了自主设计和制造燃气轮机的初步能力，但由于当时石油资源有限，燃气轮机在火力发电厂的应用并未得到推广。我国煤炭资源相对丰富，因此当时大力发展燃煤蒸汽轮机。燃气轮机发电具有诸多优势。表3列出了燃气轮机发电的技术优缺点。

目前，世界各国都在致力于研究燃煤燃气-蒸汽联合循环。燃气轮机利用煤燃烧产生的燃气作为高温热源，并充分利用废热为蒸汽轮机提供动力，同时向外供应热水和蒸汽，从而建设热电联产火电站。这种燃气-蒸汽联合循环具有较高的热效率。在燃煤燃气轮机技术方面，目前的研究重点是整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（IGCC）和加压流化床燃气-蒸汽联合循环（PFBC-CC）。采用这两种联合循环技术，可以显著提高发电效率，并减轻烟气污染。

3 燃气轮机系统组成

燃气轮机由压缩机、燃烧室、涡轮和回热器等部件组成。燃气轮机热力循环中的压缩、吸热和膨胀做功过程分别在压缩机、燃烧室（有时配备回热器）和涡轮中进行，且均处于连续运行状态。因此，燃气轮机与蒸汽轮机一样，属于连续流动式热机，这与蒸汽机和内燃机等间断流动式热机不同。燃气轮机可采用开式循环或闭式循环。燃气轮机主要采用开式循环，少数采用闭式循环。

在采用闭式循环的燃气轮机中，工质经加压后，通过外部燃烧（空气锅炉、核反应堆或其他热交换器）加热，膨胀做功后，热量通过热交换器排出。采用闭式循环的燃气轮机可以使用除空气以外的其他气体作为工质，例如氦气。蒸汽轮机也可以看作是闭式循环燃气轮机的推广形式。蒸汽轮机以水及其蒸汽为工质，使用水泵而非压缩机来增压，由锅炉加热，然后通过冷凝器排出热量，从而实现相应的热力循环。

用于化工、冶金等领域的燃气轮机也称为工业燃气轮机。广义上讲，燃气-蒸汽联合循环系统和内燃机涡轮增压器等系统或设备也可归入此类。广泛应用于内燃机的涡轮增压器可视为燃气轮机和内燃机的联合动力装置[19]。在这种动力装置中，高压压缩过程、燃烧过程和高压膨胀过程在内燃机中间歇进行；低压压缩过程在涡轮增压器中连续进行；低压膨胀过程在废气燃气轮机中连续进行。

4. 燃气轮机结构特征研究

4.1 概述

燃气轮机产业的发展依赖于两大主要工业体系：蒸汽轮机产业和航空发动机产业。受这两大工业体系的影响，燃气轮机在发展过程中逐渐形成了两种结构形式，二者差异显著：轻型结构和重型结构。

4.2 基于燃气轮机结构特征的设计理念研究

4.2.1 基于重型燃气轮机结构特征的设计理念研究

重型燃气轮机的设计过程大多沿袭了蒸汽轮机的传统设计习惯，即采用厚壁部件。厚壁部件在常温条件下具有良好的刚度，但当温度剧烈变化时，热应力会随着部件厚度的增加而逐渐增大，导致部件容易变形和断裂。因此，在设计重型燃气轮机时，难以采用温差较大的强冷却方式，也不宜使用过高的燃气温度。此外，还需要通过长期缓慢升温和转向等措施来防止部件产生过大的热应力，也难以通过相关措施来保证部件不会发生剧烈变形。由于开式循环燃气轮机的工作流体压力并不高，与蒸汽轮机存在显著差异。因此，燃气轮机的汽缸、转子等大型部件无需像蒸汽轮机那样设计得非常厚重。在保证一定强度和刚度的前提下，部件尺寸越薄，安全性越高。一旦厚度过大，就会增加热应力，容易导致热疲劳。

由于燃气轮机的压力比不高，其管道、燃烧室、换热器、空气过滤器和消声器中的气体流动压力损失对燃气轮机的性能影响较大。因此，在设计燃气轮机结构时，应尽可能降低流动损失。为此，可以采用较大的流通截面来降低工作流体的流速，并使用短而直的管道和流线型更好的部件。在大功率燃气轮机中，工作流体的流速较低，但机身较大，设备布局分散，管道较长且弯曲，不利于降低流动阻力。在燃气轮机的压缩机中，工作流体逆压梯度流动，因此相应的空气动力学问题比膨胀过程更为复杂。燃气轮机叶片中工作流体的流动效率对设备的整体效率的影响远大于蒸汽轮机，因此要求燃气轮机采用空气动力学性能更高的叶片形状。传统蒸汽轮机设计理念在燃气轮机领域的应用受到限制。

4.2.2 基于轻型燃气轮机结构特点的设计理念研究

轻型燃气轮机的设计吸收了航空发动机领域的大量科研成果和技术经验。在此基础上，无论从投资成本还是运行性能方面来看，材料消耗和设备投资都得到了极大的节省。由于部件较薄、尺寸较小、采用浮动结构以及热膨胀间隙较大，热应力大大降低。由于级数较少且级间焓降较大，喷嘴出口处的燃气温度可以进一步降低。同时，借助强效的空气冷却方案，高温材料的强度、可靠性和使用寿命也得到了一定的优势。它可以弥补高温高转速带来的不利影响，并能适应快速启动和运行工况的剧烈变化。在采用相同材料的情况下，由于冷却效果更强，轻型燃气轮机可以比重型燃气轮机使用更高的燃气温度。一些高温部件可以采用热膨胀系数小、导热性好、强度高的铁素体或珠光体材料制造，这可以显著降低轻型燃气轮机高温金属的成本。就效率而言，尽管轻型燃气轮机内部工作流体的流量高且循环简单，但由于采用了更高的燃气温度和压力比、流动损失更小的短直管以及更高效的叶片设计，其效率已逐渐超过重型燃气轮机。质量惯性、体积惯性和热惯性的降低更有利于机组的快速启动，机组的运行调节特性也得到了显著改善。设备结构简单紧凑，更适合全自动控制。专注于重型燃气轮机研发的厂商可以吸收轻型燃气轮机的设计理念，从而进一步推动燃气轮机产业的发展。5. 燃气轮机在应用过程中的技术经济性能研究

5.1 燃气轮机技术经济性能发展总体情况

近年来，大功率火力发动机主要以蒸汽轮机为主，但燃气轮机明显比蒸汽轮机更轻更小，而且在选择厂址时不受水源的限制。

在工作流体的热力学性质分析方面，燃气轮机和蒸汽轮机也存在较大差异。蒸汽轮机工作流体的温度低于燃气轮机，但其压力却显著更高。超高压会引发一系列问题，例如需要加厚机组结构，从而增加制造成本。过高压力带来的技术问题会进一步限制蒸汽轮机经济性能的提升。而燃气轮机通过采用轻量化结构，已全面降低了设计和制造成本。

目前，中小功率火力发动机仍以内燃机为主，其中柴油机的经济性最佳。现代柴油机大多采用涡轮增压器，可视为内燃机和燃气轮机的特殊结合体。燃气轮机结构紧凑、体积小，机动性远优于柴油机。尽管燃气轮机的热效率相对较低，但由于其能够燃烧低品质燃料，有效节省润滑油和维护成本，整体运行经济性正逐步接近柴油机。

5.2 燃气轮机在技术和经济效率方面的优势

5.2.1 轻巧小型设备

在相同功率下，燃气轮机的重量和体积仅为蒸汽轮机或内燃机的几分之一。因此，燃气轮机更适合作为移动设备的动力装置，尤其适用于对结构紧凑性要求较高的移动设备。由于燃气轮机占地面积小，可以有效节省电厂基础设施成本，这一点远优于蒸汽轮机电厂。此外，燃气轮机电厂的建设周期更短，有时从设计到调试仅需数月时间。

5.2.2 燃料适应性强，污染少

燃气轮机可以燃烧更便宜的燃料，例如重油、煤气等，甚至可以与核反应堆结合，作为闭式循环燃气轮机运行。同一台燃气轮机可以燃烧不同的液体或气体燃料，通常无需对燃料供应系统进行大规模调整。燃气轮机的排放性能总体良好。除了需要采取额外的措施来控制氮氧化物等排放外，该机组对大气污染的影响很小，噪声也控制在可接受的范围内。

5.2.3 有效节约水和润滑油

燃气轮机不使用蒸汽作为工作流体，也不用水冷却。它们用水量更少，可以在缺水地区连续运行。与内燃机不同，燃气轮机的工作流体在机组内连续流动，无需严格的活塞环密封装置。部件磨损更小，润滑油用量也更少。

5.2.4 快速启动和高度自动化

燃气轮机从冷启动并加速至满负荷运转通常只需几十秒到几分钟。而内燃机或蒸汽轮机从冷启动并加速至满负荷运转则需要几分钟到几小时。燃气轮机在严寒条件下也能快速启动，自动化程度高，易于远程控制，且无需现场专人监控。

5.2.5 维护快捷可靠

燃气轮机设备结构简单，易于实现系列化、标准化和通用化。同时，它可以设计成箱型结构，便于检测和维护，有效降低维护成本。

6. 现阶段燃气轮机主要技术发展趋势展望

6.1 燃气轮机技术发展总体情况

近年来，能源和污染问题对动力机械提出了更高的要求，但这些要求之间可能存在冲突。为了降低运行成本，燃气轮机可以燃烧低成本的重油，但燃烧重油产生的废气污染更为严重，且容易腐蚀叶片。因此，运行过程中需要相应地控制工作流体的最高温度，但这会降低机组的热效率。为了弥补效率的降低，需要配备诸如蓄热器和余热锅炉等大型设备，这又增加了制造成本。

新一代轻型燃气轮机由航空领域改进而来，其工作流体的温度比和压力比等参数更高，热效率也得到了提升，但这类机组通常只能燃烧轻质燃料，从而增加了运行成本。目前，轻型燃气轮机使用重质燃料油的技术仍在进一步研究中。

目前，燃气轮机除了广泛应用于高峰负荷领域外，也逐渐承担起基础负荷的供电任务。若要将燃气轮机作为基础负荷的动力源，仍需进一步提高效率，并使用更经济的燃料以减少污染，同时提高单位功率，降低维护成本。若要将燃气轮机作为陆基车辆的动力源，也需要着重优化燃气轮机的变频运行性能，并降低材料和制造工艺成本。在汽车行业，汽车总产量高，影响范围广，而燃气轮机汽车尚未得到广泛推广。目前，在燃气轮机汽车实现大规模量产之前，仍需继续优化单位经济性等指标。

6.2 提高单位效率

6.2.1 提高气体温度

（1）开发高温材料。燃气轮机叶片在高温高转速下运行，需要适应快速的温度变化。如果叶片材料遭受热应力、热疲劳、热腐蚀和蠕变等损害，将严重影响机组的使用寿命。近年来，高温合金的研发能够有效提高燃气的最高工作温度。然而，高温合金的耐温极限并非无限提高。因此，目前主要有两种措施：一是采用叶片表面保护层，利用铝、铬及复合材料提高燃烧重质燃料时的耐高温腐蚀性能；二是大力研发特种陶瓷叶片。该领域仍在持续研究之中。

（2）改进冷却技术。
为确保机组正常运行，燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片需要冷却。近年来，人们采用了更先进的冷却方法，例如薄膜冷却和发散式空气冷却。

6.2.2 提高单位压力比

为了提高效率，简单循环燃气轮机需要在提高燃气温度的同时提高压比。一方面，可以提高单级压比并采用跨音速级；另一方面，可以提高整机压比并采用可调导叶和双转子，从而拓宽压缩机的运行范围。

6.2.3 充分利用废热

充分利用燃气轮机的废热可以有效提高机组的整体效率。使用回热器。在燃气轮机中使用回热器可以显著提高机组效率。目前正在研发高效轻量化的回热器。采用燃气-蒸汽联合循环。这种联合循环机组可以利用燃气轮机排放的废气余热来加热蒸汽，从而提高机组的整体效率。这是新建火电厂的常用解决方案。

6.3 使用低成本燃料，使用新能源，并减少污染排放

重质燃料燃烧前的处理。如果燃气轮机长时间燃烧重油，其涡轮叶片容易发生腐蚀。因此，如果需要使用重质燃料，则必须对其进行预处理，以减少其对机组的负面影响。重油需要先经过沉淀、过滤、洗涤等工序才能进料。

煤气化和液化。燃气轮机通常不能直接燃烧煤炭，如果要实现这一目标，煤炭需要先进行气化或液化处理。当需要燃烧低热值气体时，也需要对燃烧设备进行调整。同时，燃烧煤气的燃烧设备体积较大，会影响燃气轮机结构的紧凑性，并且需要及时清理煤灰。

利用核燃料。目前，闭式循环燃气轮机与核反应堆的组合也正在研发中，高温气冷反应堆与氦气涡轮机的组合具有良好的发展前景。

开发低污染高温燃烧室。通过设计新型燃烧室、优化冷却方案并相应地改进燃烧过程，可以减少污染物排放。

6.4 提高单位功率

除了受工作流体温度和压力等参数的限制外，燃气轮机的单位功率增加还受到工作流体流量的影响，而工作流体流量又由机组的流量、密度和流通面积决定。

增加流通面积。一方面，可以增加燃气轮机的叶片长度，但需要通过设计改善高速运转时产生的振动，并考虑工作流体三维流动的影响。另一方面，可以将多个燃气轮机并联，通过使用多个并联的燃气发生器和一台燃气轮机来提高流量。

增加工作流体的流量。使用超音速压缩机和涡轮机时，还需要考虑工作流体三维流动的影响。

提高工作流体的密度。目前，可通过采用闭式循环方案来提高工作流体的基本压力，从而使工作流体的密度成比例地增加，进而提高单位功率。

6.5 实现高效的监测和维护

加强对机组的实时监控。通过计算机实现自动监控，并在机组关键部位设置一定数量的测点。无需打开气缸即可及早发现问题，从而实现及时维护，提高机组可靠性，并相应降低事故率。

采用箱式结构。这种结构能有效简化维护流程，提高设备利用率。

6.6 在各种运行条件下实现高效运行

当燃气轮机处于变化的运行工况时，压缩机的运行性能容易恶化，导致机组性能下降。可以采取以下优化措施：
首先，使用可调定子。燃气轮机的压缩机和涡轮机可以通过使用可调定子来改善工作流体的流动，从而减轻机组性能的劣化。
其次，采用多轴系统。通过采用分轴式、双轴式、三轴式等多轴系统，可以提高机组在各种运行条件下的经济性。
第三，使用蓄热器。使用蓄热器可以相应提高机组在低负荷下的效率。
第四，采用闭式循环。闭式循环燃气轮机可以通过流量调节来适应运行工况的变化，低负荷下的效率下降相对较小。

6.7 采用先进的工艺技术

由于燃气轮机叶片对型材设计要求很高，且高温合金硬度高、加工难度大，因此制造燃气轮机叶片需要特殊的工艺和设备。为了降低设计和制造成本，目前正在大力推广和改进的新工艺包括真空熔炼、定向结晶、粉末冶金、陶瓷冶金、高速锻造、喷丸强化、激光加工、数控加工、爆炸成形、高功率旋压、等离子喷涂、电子束焊接、氩弧焊、激光焊接和钎焊等。

7结论

近年来，燃气轮机发展迅速，技术水平不断提高。目前，对燃气轮机的设计、制造、测试、应用和维护提出了更高的要求。通过对这类热力发动机进行深入研究和开发，可以进一步促进我国经济建设和国防工业的发展。