燃气涡轮发动机

燃气涡轮引擎（Gas turbine engine或Combustion turbine engine）或称燃气轮机，英文简称GTE，是属于热机的一种引擎。燃气轮机可以是一个广泛的称呼，基本原理大同小异，包括涡轮喷射引擎、涡轮扇引擎、涡轮轴引擎、涡轮螺旋桨引擎等等都包含在内。

而一般所指的燃气涡轮引擎，通常是指用于船舶（以军用作战舰艇为主）、车辆（通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种，例如坦克、工程车辆等）、发电机组等的。与涡轮喷射引擎不同之处，在于其涡轮机要带动传动轴，传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等。

## 基本原理

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燃气涡轮机主要由压气机、燃烧室及涡轮等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压缩器加压成高压气体，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，一部分会用来驱动压缩器，另一部分则经由传动轴输出，用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统等。

### 压缩器

压缩器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器通常有轴流式和辐流式两种。

轴流式压缩器会有许多的涡轮叶片，形状类似螺旋桨叶片，但是分为“静子”（stator，或称“定子”）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。

辐流式压缩器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。一级的辐流式压缩器就能有数级轴流式压缩器的压缩比，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。

压缩比是压缩器的主要性能指标，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。理想的压缩过程应该是等熵过程，但是实际上压缩后的气流的温度和熵都会大于理想值，压力则低于理想值，而压缩机的效率则定义为：

$$\eta_c = {h_{2i} - h_1 \over h_{2a} -h_1}$$

其中$\eta_c$代表压缩器效率，$h_1$代表气流进入压缩器之前的焓，$h_{2i}$代表理想状况下气流离开压缩器时的焓，$h_{2a}$代表实际状况下气流离开压缩器时的焓。依据热力学定律，压缩器效率不可能大于1。

### 燃烧室

自压气机中压缩的空气，在此与燃料混合，并在近乎等压的情况下燃烧，借此释放燃料的化学能，转化为燃气的热能，以便推动后段的涡轮做功。燃烧室通常包含扩压段、喷嘴、点火器、火焰筒和外壳等组成，当然还包括必要的支撑件及仪表。基于燃料、任务和技术发展方向的不同，燃烧室的类型包括圆筒型、分罐型、环罐型和环型等。

### 涡轮

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燃气轮机通常使用轴流式涡轮，构造上与轴流式压缩器相似，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。

与压缩器不同的是，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器会稍有不同，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。

与压缩器相同，理想的涡轮应该是等熵过程，但是实际上通过涡轮后气流的温度和熵都会大于理想值，涡轮的效率定义为：

$$\eta_t = {h_3 - h_{4a} \over h_3 -h_{4i}}$$

其中$\eta_t$代表涡轮效率，$h_3$代表气流进入涡轮之前的焓，$h_{4i}$代表理想状况下气流离开涡轮时的焓，$h_{4a}$代表实际状况下气流离开涡轮时的焓。依据热力学定律，涡轮效率不可能大于1。

## 优缺点

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燃气轮机较少用于一般汽车和个人用机械上，与其优缺点相关。事实上曾有汽车公司开发过燃气轮机家用汽车，例如1950年，Rover制造的JET 1.0或是克莱斯勒的Chrysler Turbine Car 前后努力过数十年直到1980年代，但最后因为种种弊大于利还是放弃了计划。最终还是军用车辆与飞机船舶较适合使用，21世纪后Jaguar推出 C-X75概念车尝试将燃气轮机当成发电装置给电池充电后驱动电动车，成为一种新概念尝试，但依然没解决价格和排放标准问题。

燃气涡轮发动机的优势在于直接输出旋转运动，而无需将直线往复运动转换成旋转运动。不需要暖机也没有那么多冷启动问题，在冷天候地区不需要加防冻液等。

燃气涡轮发动机通常可以使用多种燃料，例如汽油、柴油、煤油、花生油，几乎任何可燃性液体甚至混和液体都适用。

燃气涡轮发动机的劣势在于只适合高速稳定运转情境，怠速或者加速时效率相对要低很多，并且怠速时油耗费用极高。这使得它不适用家用汽车最不适用。燃气涡轮发动机运转时引擎内温度持续很高，对材料抗高温和耐久性要求较高，价格昂贵。同时，它运转时噪声大，且瞬时响应不好，对汽车在城市环境下使用有负面影响。另外，由于氮氧化物的排放与温度成指数相关，因此高温的轮机就有极高排放。

## 应用

### 喷射引擎

现在的中大型飞机几乎都使用涡轮引擎做为动力来源，因其体积较小而输出动力大，更重要的是没有螺旋桨在高速时所会遭遇到的音障问题，因此也是一般超音速飞机的唯一选择（只有少数机型会使用冲压喷射引擎或火箭）。由于是使用于直接推进，以喷出高温废气的反作用力产生推进力，因此在设计上会尽量缩小涡轮段的能量转换及损耗，只输出驱动压缩机及发电机等附件所需的功。

### 辅助动力系统

大型飞机上除了主引擎外，通常还会装设一具小型的燃气轮机，即称为辅助动力系统(auxiliary power unit)，用以在主引擎尚未启动时提供液压、发电、空调等的动力需求，也可以用来启动主引擎。飞机上的 APU 通常是不具推进力的，而某些船舰也有称为辅助推进单元(auxiliary propulsion unit)的装置，但这种 APU 是为了在无法使用主轮机时用做备用轮机推供推进力的。

### 发电机组

目前世界上最大的燃气轮机为西门子SGT5-8000H，重量390吨，功率375MW，发电净效率40%。

### 铁路车辆

瑞士联邦铁路于1941年导入装有燃气涡轮发电机的Am4/6型机车，为燃气涡轮机首次用于铁路。1960年代至1970年代，英国、法国、西德、捷克斯洛伐克、苏联、美国、加拿大及日本等国曾开发、试制燃气涡轮动力的铁路车辆，但因噪音过大及低负荷时燃料效率不佳等缺点难以突破，在石油危机之后已大多停止开发。

然而，因燃气轮机不像内燃机那样挑剔燃料，在可以大量取得廉价低质燃料（如炼油厂沿线等）的地区仍有用武之地。

### 燃气涡轮引擎（引擎）

可视为涡轮轴引擎的一种，差异在后者的动力涡轮跟本体不同轴而是另外输出。

#### SG-1000

苏联于1976年服役的T-80坦克率先采用燃气涡轮引擎作为主要动力来源，输出马力达1,000匹，SG-1000成为首款输出千匹马力及曾实际使用的坦克引擎，不过在当时可靠性欠佳。于1978年服役的T-80B在1980年改装1,100匹马力的改良版，而1985年服役的T-80U使用马力提升至1,250匹的GTD-1250。

#### AGT-1500

美国于1980年服役的M1艾布兰坦克采用AGT-1500燃气涡轮引擎。该引擎原本是设在斯特拉特福陆军引擎厂的莱康明涡轮引擎事业部所设计和生产。于1995年斯特拉特福陆军引擎厂被关闭后，生产被转移到阿拉巴马州的安尼斯顿陆军军械库。

3,000RPM时，引擎输出峰值为1,500 hp(1,120 kW)，在该峰值时为2,750 lb-ft(3,754 Nm)的扭矩。在引擎总成中的10：1减速齿轮组后输出。在1,000RPM时达到3,950 lb-ft(5,355 Nm)的最大扭矩。引擎可以使用多种燃料，包括喷气燃料，汽油，柴油和船用柴油。

在二十世纪七十年代早期，AGT1500被开发成PLT27，一种用于直升机的飞行重量涡轮轴。该引擎在通用电气GE12(T700)的三个独立竞赛中输给了UH-60，AH-64和SH-60。

#### LM-2500

LM2500有三种不同的版本：

在ISO条件下，LM2500提供33,600 轴马力(shp)(25,060 kW)，热效率为37％。与发电机配套使用时，可在60 Hz下提供24 MW的电力，ISO条件下的热效率可达36％。

改进的第三代LM2500 +型涡轮机在ISO条件下可提供40,500 shp(30,200 kW)的热效率，达到39％。与发电机配套使用时，可在60 赫兹的情况下提供29兆瓦的电力，ISO条件下的热效率可达38％。

最新的第四代LM2500 + G4版本于2005年11月推出，在ISO条件下可提供47,370 shp(35,320 kW)的热效率，达到39.3％。

截至2004年，美国海军和至少29个其他海军已经使用了超过一千具LM2500 / LM2500 +燃气涡轮引擎为军舰提供动力。其它用途包括水翼，气垫船和快速渡轮。

2012年，通用电气开发了FPSO版本，以满足石油天然气行业对更轻，更紧凑版本的需求，以发电和驱动压缩机通过管道输送天然气。

### 微型燃气涡轮引擎

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微型燃气涡轮也可以称为：

- 交流涡轮
- MicroTurbine（该名称已经被顶石涡轮公司注册商用）
- Turbogenerator（该名称已经被霍尼韦尔电力公司注册商用）

微型燃气涡轮本质上是瞄准分散式发电和气电共生用途，也是混和动力车的重点科技之一，商用中从一千瓦到数十数百千瓦功率都有市场潜力。1950年英国路华汽车最早推出一款采用燃气涡轮作为动力的概念车“JET1”，但并未实际量产。

成功之处也得利于电子学的变革，包含无人运作和公用电网电脑化、电力切换调度科技可以使得发电来源不必和电网绑死，让发电机可以加入涡轮构造并提供2倍的效能。因为微型燃气涡轮引擎有许多优点超越传统往复式引擎，可以产生更高能量密度效率（与重量和尺寸相关），极低的热辐射和极少的移动部件使其容易维修，还可以省下空调所需的润滑油和冷媒。通常涡轮也能更有效降低废热消耗，同时也能省下冷却系统的耗能。但是，活塞引擎发电机对需电量变化的反应比较快，而且活塞引擎通常比较有效率──虽然说微型燃气涡轮引擎的效率正在增加。相较于活塞引擎，微型燃气涡轮引擎的效率在低输出状态时下降更多。

微型燃气涡轮引擎接受多种燃料，例如汽油、天然气、丙烷、柴油、煤油，也可以利用可再生燃料，例如E85酒精汽油、生物柴油及生物气体。另外一大好处是可以用氢为动力燃料，就像目前热门的燃料电池，可以从水中分离的氢作为来源。但是缺点是易燃，使得这种便携式装置未来可能不能带上飞机或其他敏感场所。

微型燃涡机使用单段式压缩机设计，但是单段式涡轮机件比较难生产因为必须承受高温高压下运作。废热可以用来提供热水、暖气、干燥用途或吸收式冷却法（吸收式冷却是不利用电能而是热能提供冷气的方法）。

典型的燃涡机效率约25%到35%。但是连上废热发电系统（气电共生）系统时，可以提升到80%。

麻省理工学院 1990年代中期开始毫米尺寸燃涡机研发专案由航太教授Alan H. Epstein带领开始研拟个人用的燃涡机可以达成所有现代电力需求，就像目前一些小型都市用的大型发电用燃涡机一样。Epstein教授说目前商用可充电锂离子电池只约有120 Wh/kg-150 Wh/kg能量比，麻省理工学院的毫米尺寸燃涡机已经可以达成500 Wh/kg-700 Wh/kg能量，也有极大希望在不久的将来达成1,200 Wh/kg-1,500 Wh/kg。

澳洲发明家开始研究这种微电机系统科技(MEMS)为便携式装置供电的可能性，这种系统使用氢或丁烷为燃料以达到超高速的2百万RPM转速。这种燃气涡轮引擎的制造采用芯片产业的科技，而且大多以硅为原料。这种燃气涡轮引擎可以接上发电机来提供电力。2010年捷豹推出 C-X75 Concept概念车，该车使用两部微型燃气涡轮取代引擎来给电动车充电，成为一种新型油电混合车，而且由于燃气涡轮的原理别于传统引擎，造成能使用柴油、天然气、液化石油气、生质柴油等多种燃料于同一部车上。

## 延伸阅读

- Stationary Combustion Gas Turbines including Oil & Over-Speed Control System description
- "Aircraft Gas Turbine Technology" by Irwin E. Treager, Professor Emeritus Purdue University, McGraw-Hill, Glencoe Division, 1979, ISBN 978-0-07-065158-6.
- "Gas Turbine Theory" by H.I.H. Saravanamuttoo, G.F.C. Rogers and H. Cohen, Pearson Education, 2001, 5th ed., ISBN 978-0-13-015847-5.
- R. M. "Fred" Klaass and Christopher DellaCorte, "The Quest for Oil-Free Gas Turbine Engines," SAE Technical Papers, No. 2006-01-3055, available at: https://web.archive.org/web/20070930201550/http://www.sae.org/technical/papers/2006-01-3055.
- "Model Jet Engines" by Thomas Kamps ISBN 978-0-9510589-9-2 Traplet Publications
- Aircraft Engines and Gas Turbines, Second Edition by Jack L. Kerrebrock, The MIT Press, 1992, ISBN 978-0-262-11162-1.
- "Forensic Investigation of a Gas Turbine Event " by John Molloy, M&M Engineering
- "Gas Turbine Performance, 2nd Edition" by Philip Walsh and Paul Fletcher, Wiley-Blackwell, 2004, ISBN 978-0-632-06434-2 http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-063206434X.html

## 外部链接

- /Science/Technology/Energy/Devices/Internal_Combustion_Engines/Gas_Turbine/
- "New Era In Power To Turn Wheels" Popular Science, December 1939, early article on operations of gas turbine power plants, cutaway drawings
- Technology Speed of Civil Jet Engines
- MIT Gas Turbine Laboratory
- MIT Microturbine research
- California Distributed Energy Resource guide - Microturbine generators
- Introduction to how a gas turbine works from "how stuff works.com"
- "Aircraft gas turbine simulator for interactive learning"