燃气轮机被称为制造业的王冠，作为一个体形庞大的工业机械巨兽，它既要追求高效性能，又需考虑经济效益，这是一种让制造业纠结于鱼和熊掌的痛苦。
文/ 中国先进制造技术论坛
目前，航空发动机和燃气轮机“两机”科技重大专项已经顺利成为国家第20个重大技术专项，与空天飞机和高超音速飞行器专项一起成为国家航空航天领域的重要突破。
今天这篇文章就来跟大家聊聊被誉为工业皇冠上明珠的燃气轮机！
燃气轮机原理
燃气轮机（GasTurbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备等。
按照燃烧室温度目前分为E级，F级和目前最先进的H级。其中，E级重型燃气轮机透平进口约1200℃，F级透平进口温度约为1400℃，目前最先进的H级透平进口温度达到1430℃-1600℃。温度越高，技术等级越高。
现代燃气轮机发动机主要由压气机（蓝色）、燃烧室（红色）、透平（黄色）。
当它正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。压气机从外界大气环境吸入空气、并逐级压缩（空气的温度与压力也将逐级升高）；压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气；然后再进入透平膨胀做功；最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气、自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备放热以回收利用部分余热。在连续重复完成上述的循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。
燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。下图是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。
燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。
燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力（例如：电能、机械能或热能）所必需的基本设备。为了保证整个装置的正常运行，除了主机三大部件外，还应根据不同情况配置控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。
在下图中表示了燃气轮机的简单工作过程为：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。
在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢？
简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。燃气轮机在设计时就要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率，才能使燃气轮机在带动压气机的同时还能向外输出功率。
燃烧室的那些事
燃气轮机的燃烧室可以说融合了整个燃机的大部分高精尖技术，比如H级燃机运转时，燃烧室内部的温度可以达到近1600度的高温！比火山岩浆还要热，绝大部分的金属在这个温度下都会熔化。所以，咱们也就重点说说燃烧室里发生的那些事儿。
一台燃气轮机的燃烧室中配有大概500块这样的隔热瓷片，在隔热瓷片受热一面的温度将近1600摄氏度，而另一侧的温度仅有600多摄氏度，这些大约4厘米厚的陶瓷隔开了近1000度的高温！
西门子SGT-4000F型燃气轮机的燃烧室
燃烧室中的气体还会以堪比龙卷风的速度（每秒100米）不断冲击着燃烧室。所以这些瓷片还必须能抗住强大的冲击力——甚至要比应用于航天飞机上的隔热瓷片还结实。这是因为航天飞机上的隔热陶瓷在每次降落后和起飞前都会经过严格的检查并替换受损瓷片，而燃气轮机中的隔热瓷片需要在运行数千小时候后才会进行检修。
通过采用隔热瓷片，燃烧室内外壁的冷却任务已经完成，接下来的任务却更有挑战。在之前介绍燃机原理中我们说到，燃烧后的高温气体会推动透平区的叶片转动。
透平区的第一级叶片在燃机运转时，不仅要耐得住将近1600度的高温，还要以音速旋转，承受相当于自身重量一万倍的离心力。
燃气轮机是军舰动力方案的选择之一
目前世界主要海军强国在军舰动力方案选择上，燃气轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和舰用蒸汽轮机，但是由于燃气轮机先天优势与军舰动力系统性能要求更为吻合，燃气轮机成为了各国军舰动力系统发展的唯一选择。
燃气轮机的优势
- 功率密度极大
一般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。
- 启动速度快
虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的，但是由于整个转子十分轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而启动速度，对于军舰的战时出动和反潜作战时加减速性能有着直接的影响。
- 噪声低频分量很低
由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中，产生的噪声更多是高频啸声。柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声，恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点，导致军舰容易被敌方声纳探测。
由于多方面的原因，我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的产业。我国在舰载燃气轮机方面一直没能突破技术瓶颈的主要原因有很多，既有航空动力方面的问题也有舰用燃机工业本身的体制问题。
据了解，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”的燃气轮机国内市场始终被美国通用电气公司、德国西门子公司、日本三菱重工等国外企业占据，虽然，国内主机厂商在自主研发上有所进展，例如AE94.3A燃机透平叶片启动国产化生产，5万千瓦重型燃机1-17级压气机试验成功，但这些企业主要具备的是装配制造能力，实际的核心技术和品牌还属于国外企业，仍未有国产品牌的燃气轮机进入市场。
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燃气轮机涵盖多个方面，包括设计能力、金属制造能力、装配能力、加工工艺、试验能力等，需要不同专业之间的相互配合，形成从设备制造、材料制造到系统集成的整套产业链。
