燃氣輪機

燃氣輪機（Gas   turbine）這是一種旋轉葉輪式熱機。它以連續流動的氣體為工作介質，帶動葉輪高速旋轉，從而將燃料的能量轉化為機械能。燃氣輪機的基本部件包括壓縮機、燃燒室、渦輪機和相關輔助系統。簡單而理想的燃氣輪機的工作過程通常用布雷頓循環來描述。因為燃氣輪機確實在工作，所以有熱量、壓力、工質、機械損失和不可逆性，所以燃氣輪機的比功和熱效率等參數常被用來衡量燃氣輪機的技術性能。

燃氣輪機最早的雛形可以追溯到唐宋時期人們用煤氣作為動力來驅動銅輪、紙輪轉動。在工業革命時期，人們利用熱力循環的知識來設計和生產燃氣輪機。在后來的改進和發展過程中，燃氣輪機的應用領域不斷擴大，可以用于發電、供熱、航空航天、汽車船艦、油氣輸運、鋼鐵冶煉等許多領域。

燃氣輪機由壓縮機組成、燃燒室和渦輪由三個關鍵部件組成，它們配有燃油系統、潤滑系統、輔助系統和輔助設備，如啟動系統。

壓氣機：燃氣輪機中的壓縮機部件通常使用動態壓縮機，包括軸流式壓縮機、離心式和混合式三種。它的作用是吸入并壓縮大氣中的空氣，然后向燃燒室提供高壓空氣。因此，通常要求具有高壓縮效率、單級壓縮比大、氣體流量大、特性可以與渦輪機相匹配、工況穩定，面積廣，能很好地防止浪涌。

燃燒室：燃燒室位于壓氣機和渦輪之間，用于將燃料的化學能轉化為熱能，并為渦流提供高溫高壓氣體。所以它通常溫度很高、高氣流速度、高燃燒強度、高過量空氣系數(一般與鍋爐等相比）的特點。按結構可分為圓筒型、分管型、有四種類型環管型和環型。

燃氣渦輪：也稱為燃氣輪機或燃氣輪機。它布置在燃燒室后面，并且是用于將來自燃燒室的工作介質的熱能轉換成渦輪轉子的機械能的裝置。通常由燃氣導管、級組和排氣擴散器。根據燃氣在渦輪中的流動方向，燃氣輪機分為徑流式和軸流式。

輔助機構：除了壓縮機之外，燃氣輪機、除了由燃燒室和燃氣輪機組成的主體外，還有一個調節系統、起動系統、潤滑油系統、壓力工作油系統、燃料系統、冷卻系統，以及各種油泵、風機、管道閥門、冷卻器、加熱器、起動機等許多輔助系統和設備來保證機組的正常運行。

基本原理

燃氣輪機是通過熱循環將燃氣的熱能轉化為機械能輸出的裝置。在簡單理想循環條件下，燃氣輪機的循環可以用布雷頓循環來描述。其中“簡單”這意味著不考慮回熱循環和再熱循環；理想循環”意味著將工質視為理想氣體，忽略熱損失和機械損失。

布雷頓循環：布雷頓循環可以很好地描述燃氣輪機裝置在簡單理想條件下的工作過程。如圖2所示，它由兩個等熵過程和等壓過程描述。

過程1~ 2，等熵過程：壓縮機消耗一定量的功W，吸入低溫低壓空氣并將其壓縮空氣量減少，壓力增加，獲得的低溫高壓氣體進入燃燒室；能量表現形式：壓縮機的機械能轉化為空氣的壓力能。

過程2~ 3，等壓過程：低溫高壓氣體和燃料在燃燒室中混合燃燒，溫度升高而壓力保持不變，得到高溫高壓氣體；能量表現形式：燃料的化學能轉化為燃氣的內能。

過程3~ 4，等熵過程：從燃燒室出來的高溫高壓氣體在燃氣輪機中膨脹做功，壓力下降，體積增大，溫度下降，成為具有一定溫度和壓力的廢氣；能量表現形式：燃氣的內能轉化為燃氣輪機的機械能輸出。

過程4~1，等壓過程：來自燃氣輪機的廢氣被排放到大氣中，并被大氣或水冷卻。得到低溫低壓氣體被壓縮機吸入，然后進行下一個循環。

實際簡單循環：在理論分析中，壓縮機和渦輪中的工作質量被視為一個可逆過程。在實際工作過程中，氣流與機械之間的各種摩擦產生的損失會造成壓縮機和渦輪中工質的熱力過程不可逆，循環中的每個過程都存在損失。

優點

與內燃機、與汽輪機等動力機械相比，燃氣輪機同時具有以下優點：重量輕、體積小、操作維護簡便；功率密度高，適用于船舶航空等動力；單機熱效率一般，但聯合循環機組的效率將超過其他動力機械。

啟動加速快，啟動溫度低，無需預熱；燃料多樣化，可以使用柴油、汽油、天然氣和其他燃料；不需要額外的冷卻水系統；安裝建設周期短；低振動低噪音，廣泛應用于軍用船舶。

缺點

燃氣輪機的效率受溫度限制，高溫會導致葉片壽命急劇下降如果使用耐高溫材料，制造和使用成本將增加。

由于連續工作，需要對渦輪葉片進行冷卻，技術難度較大。

使用燃氣輪機時，燃料中的氮氣在高溫下會產生氮氧化物；此外，高溫工況會導致空氣中的氮和氧發生反應生成氮氧化物。隨著燃氣輪機運行溫度的升高，氮氧化物的含量將急劇增加。

燃油消耗量高、需要消耗大量的空氣。

不良的非設計性能，尤其是在低速和部分負荷下，不僅會導致熱效率低，還會進一步增加油耗。燃氣輪機在運行中有各種損耗，所以經濟性差。此外，制造困難且成本高。

熱力循環類型

簡單循環：簡單循環燃氣輪機理想地根據布雷頓循環工作。具有結構簡單、輕薄小巧，調節方便，但效率低。適用于一些要求不高的場合，比如一些小型電廠。

此外，簡單循環可分為開式循環和閉式循環開式循環——的工作介質來自大氣并被排放到大氣中；封閉循環——的工作介質與外界隔離，并以封閉方式循環。

復雜循環：為了提高燃氣輪機的效率，通常在簡單循環的基礎上對實際過程進行改進，得到回熱循環、間冷循環、再熱循環和其他復雜循環燃氣輪機。適用于要求高效率和更廣泛應用的場合，如大型發電廠和船舶動力推進系統。

回熱循環：通過安裝回熱器，形成回熱循環，從而提高熱效率。

間冷循環：在壓縮過程的中間，一部分工質被引向冷卻器，冷卻后再返回壓縮機繼續壓縮過程，稱為間接冷卻循環。

再熱循環：在膨脹過程的中間，工質被引出到再熱燃燒室加熱，然后回到渦輪繼續膨脹以完成膨脹過程，這就是所謂的再熱循環。

間接冷卻循環和再熱循環可以提高熱循環的比功，此外還有間接冷卻-回熱，再冷-具有再熱和其他組合形式的復雜循環燃氣輪機。

隨著發展，出現了許多新的聯合循環，如蒸汽噴射燃氣輪機聯合循環、濕空氣透平循環、卡林那聯合循環、氫氧聯合循環、燃料電池聯合循環、化學鏈燃燒動力循環、燃煤聯合循環等。

按軸系分

單軸燃氣輪機：結構簡單，但工況調節范圍較窄，一般用于發電饑民群體。

分軸燃氣輪機：結構緊湊，但復雜，啟動功率低，非設計性能好。適用于變速負載和牽引動力，如車輛和流體機械。

使用安裝分類

固定式燃氣輪機 ：一般是指大、中等功率不可整體移動的固定式燃氣輪機裝置。它們可以是重型燃氣輪機或航空改裝燃氣輪機。

運輸燃氣輪機  ：包括大中小型陸?？者\輸車輛的燃氣輪機，以及箱式移動式和便攜式燃氣輪機。大部分是飛機改裝或輕型結構工業燃氣輪機。

其他分類

按結構形式和功率重量比分類：重型燃氣輪機、輕型燃氣輪機(以航空發動機改裝為主)微型和超微型燃氣輪機。

按用途分類：工業燃氣輪機船用燃氣輪機航空航天燃氣輪機。

按壓氣機的結構：渦輪壓縮機和動力壓縮機，動力壓縮機包括軸流式壓縮機、離心式和混合式三種。

發電領域：燃氣輪機的主要用途之一是發電。簡易燃氣輪機發電機循環發電系統具有裝機容量大啟停時間短的優點，主要用于電力系統調峰、交通和工業等領域。

燃氣輪機

船舶領域：因為燃氣輪機具有緊湊的結構、重量輕、振動小、操作靈活等，這非常符合船舶的動力需求。船舶領域使用的燃氣輪機通常采用多種先進復雜的循環模式。而且由于海洋環境惡劣，對燃氣輪機的要求更加嚴格，包括耐高鹽霧和海水腐蝕、抵抗水下爆炸造成的巨大沖擊、能承受頻繁的工況變化和長期高負荷運行、更長的翻修壽命。

車輛領域：自1950年英國羅孚公司制造出第一輛燃氣輪機汽車以來，車用燃氣輪機的發展從未停止，其機組性能不斷提高。用于車輛領域的燃氣輪機通常需要滿足以下要求：1)高效率和低平均油耗；2)能適應不同駕駛狀態的要求；3) 低污染排放；4) 防撞擊振動；5) 防塵；6) 能適應環境溫度的巨大變化。7) 低噪音；8)能燃用多種燃油；9) 易于維護等等。

航空航天領域：燃氣輪機連續工作輸出功率高重量輕噴氣推進效率優異，作為噴氣航空動力具有絕對優勢。基本類型有：飛機用渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、直升機用渦輪螺旋槳發動機渦輪軸發動機。各種航空燃氣輪機的基本通用要求如下：重量輕、省油、工作安全可靠、啟動迅速可靠、良好的加速性和抗沖擊性。

其他領域

供熱：從燃氣輪機排出的廢氣仍然具有相當高的溫度，因此可以通過安裝廢熱鍋爐在渦輪排氣擴散器的出口處回收熱量，以產生熱水或蒸汽。用于供暖、蒸汽輪機組、或者部分重新注入燃氣輪機以提高燃氣輪機的輸出功和效率。

輸送天然氣：為了克服流動阻力，天然氣通常由壓縮機壓縮和增壓。使用燃氣輪機驅動離心式壓縮機的增壓單元，在高功率范圍內(上千kW)是一種非常經濟適用的方式。通常，由燃氣輪機驅動的離心式壓縮機通常要求燃氣輪機和離心式壓縮機的性能相互匹配。

輸送石油：石油的長距離管道運輸是最經濟的方法，它需要泵站來提升原油以進行運輸 離心泵廣泛應用于泵站，現在大部分由電機驅動。但是，在缺電、在偏遠和沙漠地區，以及在大容量輸油管道中，更適合使用燃氣輪機作為驅動動力。

鋼鐵冶煉：在鋼鐵冶煉行業中，會產生大量的可燃氣體副產品（高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣）這些副產品用于燃氣輪機一方面，燃氣輪機產生的高壓氣流可以直接分流用于高爐供氣；另一方面，燃氣輪機產生的電力和機械動力可以返回冶煉高爐使用。