燃氣渦輪發動機(燃氣渦輪機):發動機歷史,基本原理,壓氣機的功用,渦輪,分類和組成

燃氣渦輪發動機（Gas turbine engine或Combustion turbine engine）或稱燃氣輪機，是屬於熱機的一種發動機。燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼，基本原理大同小異，包括燃氣渦輪噴氣發動機等等都包含在內。而一般所指的燃氣渦輪發動機，通常是指用於船舶（以軍用作戰艦艇為主）、車輛（通常是體積龐大可以容納得下燃氣渦輪機的車種，例如坦克、工程車輛等）、發電機組等的。與推進用的渦輪發動機不同之處，在於其渦輪機除了要帶動壓縮機外，還會另外帶動傳動軸，傳動軸再連上車輛的傳動系統、船舶的螺旋槳或發電機等。

基本介紹

中文名：燃氣渦輪發動機
外文名：Gas turbine engine
又稱：燃氣輪機
屬性：熱機的一種發動機
主要組成：進氣道壓氣機燃燒室渦輪噴管
主要套用：噴氣發動機輔助動力單元等

發動機歷史,基本原理,壓氣機的功用,渦輪,分類和組成,發動機套用,常見問題,相關機構介紹,

發動機歷史

燃氣渦輪發動機是目前套用最廣泛的航空發動機，是20世紀50年代以來主要的航空動力形式，而且在可預見的未來，還沒有任何其他動力形式可以完全取代它。

燃氣渦輪發動機的前身歷程如下：

中國在公元十二世紀的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載，它是渦輪機（透平）的雛形。

15世紀末，義大利人李奧納多·達文西設計出煙氣轉動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉，透平原理在歐洲得到了較多套用。

1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程。

1872年，德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機，並於1900～1904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗。

1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈製成第一台能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。

1920年，德國人霍爾茨瓦特製成第一台實用的燃氣輪機，其效率為13%、功率為370千瓦，按等容加熱循環工作，但因等容加熱循環以斷續爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。

隨著空氣動力學的發展，人們掌握了壓縮機機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計高效率軸流式壓縮機的問題，因而在20世紀30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓縮機。與此同時，渦輪效率也有了提高。在高溫材料方面，出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能採用較高的燃氣初溫，於是等壓加熱循環的燃氣輪機終於得到成功的套用。

1939年，在瑞士製成了四兆瓦發電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國製造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，並開始迅速發展。

隨著高溫材料的不斷進展，以及渦輪採用冷卻葉片並不斷提高冷卻效果，燃氣初溫逐步提高，使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大，在70年代中期出現了數種100兆瓦級的燃氣輪機，最高能達到130兆瓦。

1941年瑞士製造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國製造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力；1950年，英國製成第一輛燃氣輪機汽車。此後，燃氣輪機在更多的部門中獲得套用。

基本原理

壓氣機的功用

壓氣機的功用是對氣流做功，以提高氣流的壓力。一般燃氣輪機的壓氣機通常有軸流式和離心式兩種。

軸流式壓縮機會有許多的葉片，形狀類似螺旋槳葉片，但是分為“靜子”（stator）與“轉子”（rotor）兩種。轉子就像螺旋槳一般地旋轉，在旋轉的過程中將對氣流加功，增大氣流總壓P*和總溫T*，這時氣流的壓力和溫度就會提高。靜子的功用是將因為轉子的作用而產生旋轉的氣流導引回軸向，以正確的角度進入下一組轉子，減小氣流絕對速度C1。通常是一組轉子和一組靜子互動配置，而一組轉子和靜子就稱為一級。

離心式壓縮機則是利用葉輪旋轉時產生的離心力將氣流向外推向機匣，而產生加壓的效果。一級的離心式壓縮機就能有數級軸流式壓縮機的壓縮比，對於較小型的燃氣輪機來就是不錯的選擇，但是由於氣流是向外輻射，必須以大幅彎曲的通道折回內部，故能量的耗損也較大，效率低。

增壓比是壓氣機的主要性能指標，指的是氣流總壓在加壓後與加壓前的比，通常增壓比較高的燃氣輪機，效率也較高，但是氣流在壓縮過程中溫度會上升，考慮到渦輪所能承受的溫度有一定的限度，壓縮比太高反而不好。理想的壓縮過程應該是等熵絕能過程，但是實際上壓縮後的氣流的溫度和熵都會大於理想值，壓力則低於理想值，而壓縮機的效率則定義為。

其中ηc代表壓縮機效率，h1代表氣流進入壓縮機之前的焓，h2i代表理想狀況下氣流離開壓縮機時的焓，h2a代表實際狀況下氣流離開壓縮機時的焓。依據熱力學定律，壓縮機效率不可能大於1。

公式

燃燒室

燃燒室由外殼（套）、火焰筒、噴（油）嘴、渦流器、點火裝置等組成。由壓氣機擴散段出來的高壓空氣分成兩股：一股（約占1/4～2/5）進入火焰筒前部，與噴嘴噴出來的燃油混合形成油氣混合氣，經點火裝置點火後燃燒。另一股（占3/4～3/5）從火焰筒與外套間流過，對火焰筒壁面進行冷卻，然後進入火焰筒與高溫燃氣摻混，使燃氣溫度降低，達到渦輪所要求的溫度。通常要求燃燒室具有燃燒穩定、燃燒效率高、點火範圍寬、流動阻力小以及結構簡單、尺寸小、安全可靠和壽命長等特性。

燃燒室按氣流在燃燒室中流動的方向分為三種：①直流式：氣流在燃燒室中沿軸向流動。多數發動機採用這種燃燒室。②折流式：氣流由壓氣機流出後，折成兩路流入火焰筒。一般與甩油盤配合使用。③回流式：壓氣機出口的空氣由燃燒室的後端流入火焰筒頭部。燃燒的燃氣則向前形成回流。後兩種形式氣流流動損失大，但能縮短發動機的長度，一般用於採用離心式壓氣機的發動機中。

燃燒室按結構形式又分為管形燃燒室、環形燃燒室和環管形燃燒室。管形燃燒室中的每個管形火焰筒有單獨的外套，組成一個單管燃燒室。一台發動機可以有若干個單管燃燒室，沿周向裝在發動機上，其中幾個燃燒室裝有點火裝置。各燃燒室之間通過聯焰管來傳焰和均壓。管形燃燒室易調試，強度與剛性好、裝拆與維護方便，多用於早期的燃氣渦輪發動機以及空氣流量很小的發動機上。環形燃燒室中的火焰筒為一整體的環形腔。同心地裝在環形的殼體內。這種燃燒室空間利用率高，迎風面積、重量、壓力損失、火焰筒表面積和長度都小，所需的冷卻空氣量少，出口流場沿周向分布均勻，廣泛用於各種新型發動機中。環管形燃燒室有若干個管形火焰筒沿圓周均勻地裝在一個共同的環形殼體內。各火焰筒間裝有聯焰管。它的結構介於管形燃燒室與環形燃燒室之間。50～60年代的發動機多採用這種結構。

渦輪

渦輪電腦模擬燃氣輪機通常使用軸流式渦輪，構造上與軸流式壓縮機相似，同樣是一組定子與一組轉子合稱為一級。渦輪葉片與螺旋槳及飛機機翼相似，氣流流過時產生作用力，對轉子葉片作功而使其轉動，而能將氣流的能量轉換成機械能輸出，因此氣流在通過渦輪後，溫度與壓力都會下降。

與壓縮機不同的是，渦輪的目的是將氣流的能量轉換為機械能，因此葉片的形狀與壓縮機會稍有不同，重視的是氣流通過時能產生的作用力，與飛機機翼希望升力大而阻力小的要求類似。渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的衝擊，為了提高燃燒溫度以提升燃氣輪機的效率，渦輪葉片必須使用耐高溫、在高溫下仍保有高強度及壽命的耐熱材料製成。葉片結構上也常使用一些特殊設計，例如常見的作法是將葉片設計為中空，然後將冷空氣或冷卻液導入內部，在葉片內部流動時可以產生冷卻效果，還有在表面設計許多小孔噴出冷空氣，隨著空氣流動而覆蓋整個葉片，阻隔以避免高溫空氣直接衝擊葉片，以達到保護的效果。

與壓縮機相同，理想的渦輪應該是等熵過程，但是實際上通過渦輪後氣流的溫度和熵都會大於理想值，渦輪的效率定義為：

其中ηt代表渦輪效率，h3代表氣流進入渦輪之前的焓，h4i代表理想狀況下氣流離開渦輪時的焓，h4a代表實際狀況下氣流離開渦輪時的焓。依據熱力學定律，渦輪效率不可能大於1。

公式

分類和組成

航空燃氣渦輪機的組成

航空燃氣渦輪噴氣發動機主要由進氣道（Intake）、壓氣機（compressor）、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）、噴管（Exhaust）等部分構成。新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機後，首先由壓氣機加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合後在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓燃氣，然後進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的焓和動能轉換成機械能輸出，最後的廢氣由尾噴管排出。而由渦輪輸出的機械能中，一部分會用來驅動壓氣機，另一部分則經由傳動軸輸出（渦輪軸發動機），用以驅動我們希望驅動的機構如發電機、傳動系統或飛行器螺旋槳等。

主要類型

渦輪噴氣發動機

渦輪風扇發動機

渦輪螺槳發動機

渦輪軸發動機

渦輪噴氣發動機

組成：進氣道，壓氣機，燃燒室，渦輪，尾噴管、
進氣道進氣----壓氣機增壓----燃燒室加熱----渦輪膨脹做功帶動壓氣機----尾噴管膨脹加速----排氣到體外

渦輪風扇發動機

分開排氣渦扇

組成：進氣道，風扇，壓氣機，燃燒室，渦輪，外函道，內外含尾噴管

進氣道進氣----風扇增壓----氣流分為兩股

內涵氣流----壓氣機增壓----燃燒室加熱----渦輪膨脹做功帶動風扇和壓氣機----內涵尾噴管膨脹加速----排氣到體外

外涵氣流----外涵道----外含尾噴管膨脹加速----排氣到體外

混合排氣渦扇

組成：進氣道，風扇，壓氣機，燃燒室，渦輪，混合器，尾噴管

進氣道進氣----風扇增壓----氣流分為兩股

內涵氣流----壓氣機增壓----燃燒室加熱----渦輪膨脹做功帶動風扇和壓氣機----混合器

外涵氣流----外涵道----混合器

兩股氣流在混合器中摻混----尾噴管膨脹加速----排氣到體外

渦輪螺槳發動機

組成：進氣道，壓氣機，燃燒室，渦輪，尾噴管，減速器。螺旋槳

工作過程:進氣道進氣----壓氣機增壓----燃燒室加熱----渦輪膨脹做功帶動壓氣機和螺旋槳----尾噴管膨脹加速----排氣到體外

渦輪軸發動機

組成：進氣道，壓氣機，燃燒室，渦輪，尾噴管，功率輸出軸，主減速器等

進氣道進氣----壓氣機增壓----燃燒室加熱----渦輪膨脹做功帶動壓氣機和旋翼----尾噴管膨脹加速----排氣到體外

發動機套用

噴氣發動機

中大型飛機幾乎都使用渦輪發動機做為動力來源，因其體積較小而輸出動力大，更重要的是沒有螺旋槳在高速時所會遭遇到的音障問題，因此也是一般超音速飛機的唯一選擇（只有少數機型會使用衝壓式噴氣發動機或火箭）。由於是使用於直接推進，以噴出高溫廢氣的反作用力產生推進力，因此在設計上會儘量縮小渦輪段的能量轉換及損耗，只輸出驅動壓縮機及發電機等附屬檔案所需的功。

輔助動力單元

大型飛機上除了主引擎外，通常還會裝設一具小型的燃氣輪機，即稱為輔助動力系統（auxiliary power unit，APU），用以在主引擎尚未啟動時提供液壓、發電、空調等的動力需求，也可以用來啟動主引擎。飛機上的APU通常是不具推進力的，而某些船艦也有稱為副推進單元（auxiliary propulsion unit）的裝置，但這種APU是為了在無法使用主輪機時用做備用輪機推供推進力的。

微型燃氣渦輪引擎

微型燃氣渦輪也可以稱為：交流渦輪 MicroTurbine (該名稱已經被頂石渦輪公司註冊商用)Turbogenerator (該名稱已經被霍尼韋爾電力公司註冊商用)

微型燃氣渦輪

本質上是瞄準分散式發電和氣電共生用途. 也是混和動力車的重點科技之一. 商用中從一千瓦到數十數百千瓦功率都有市場潛力.

（1）成功之處也得利於電子學的變革，包含無人運作和公用電網電腦化. 電力切換調度科技可以使得發電來源不必和電網綁死. 使得發電機可以加入渦輪構造並提供2倍的效能.因為微型燃氣渦輪引擎有許多優點超越傳統往復式發動機，可以產生更高能量密度效率(與重量和尺寸相關)，極低的熱輻射和極少的移動部件使其容易維修。還可以省下空調所需的潤滑油和冷媒. 通常渦輪也能更有效降低廢熱消耗，同時也能省下冷卻系統的耗能. 但是，活塞引擎發電機對需電量變化的反應比較快、而且活塞引擎通常比較有效率──雖然說微型燃氣渦輪引擎的效率正在增加。相較於活塞引擎、微型燃氣渦輪引擎的效率在低輸出狀態時下降更多。

（2）微型燃氣渦輪引擎接受多種燃料，例如汽油、天然氣、丙烷、柴油、煤油，也可以利用可再生燃料，例如E85酒精汽油、生物柴油及生物氣體.另外一大好處是可以用氫為動力燃料，就像燃料電池，可以從水中分離的氫作為來源。但是缺點是易燃，使得這種攜帶型裝置未來可能不能帶上飛機或其他敏感場所。

(3) 微型燃渦機使用單段式壓縮機設計，但是單段式渦輪機件比較難生產因為必須承受高溫高壓下運作。廢熱可以用來提供熱水、暖氣、乾燥用途或吸收式冷卻法──這是一種不利用電能而是熱能提供冷氣的方法。

(4) 典型的燃渦機效率約25 到 35%。但是連上廢熱發電系統(氣電共生)系統時，可以提升到80%。麻省理工學院 1990年代中期開始公厘尺寸燃渦機研發專案由航太教授Alan H. Epstein帶領開始研擬個人用的燃渦機可以達成所有現代電力需求，就像一些小型都市用的大型發電用燃渦機一樣。 Epstein教授說商用可充電鋰離子電池只約有120-150 Wh/kg能量比，麻省理工學院的公厘尺寸燃渦機已經可以達成500-700 Wh/kg能量，也有極大希望達成1200-1500 Wh/kg。

(5) 澳大利亞發明家開始研究這種微電機系統科技(MEMS)為攜帶型裝置供電的可能性.這種系統使用氫或丁烷為燃料以達到超高速的2百萬RPM轉速。這種燃氣渦輪引擎的製造採用晶片產業的科技，而且大多以矽為原料。這種燃氣渦輪引擎可以接上發電機來提供電力。

常見問題

在汽輪機運行過程中，汽輪機滲漏和汽缸變形是最為常見的設備問題，汽缸結合面的嚴密性直接影響機組的安全經濟運行，檢修研刮汽缸的結合面，使其達到嚴密，是汽缸檢修的重要工作，在處理結合面漏汽的過程中，要仔細分析形成的原因，根據變形的程度和間隙的大小，可以綜合的運用各種方法，以達到結合面嚴密的要求。

汽輪機汽缸漏氣原因

1．汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠後都要經過時效處理，就是要存放一些時間，使汽缸在住鑄造過程中所產生的內應力完全消除。如果時效時間短，那么加工好的汽缸在以後的運行中還會變形，這就是為什麼有的汽缸在第一次泄漏處理後還會在以後的運行中還有漏汽發生。因為汽缸還在不斷的變形。

2．汽缸在運行時受力的情況很複雜，除了受汽缸內外氣體的壓力差和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受蒸汽流出靜葉時對靜止部分的反作用力，以及各種連線管道冷熱狀態下對汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸發生塑性變形造成泄漏。

3．汽缸的負荷增減過快，特別是快速的啟動、停機和工況變化時溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機檢修時打開保溫層過早等，在汽缸中和法蘭上產生很大的熱應力和熱變形。

4．汽缸在機械加工的過程中或經過補焊後產生了應力，但沒有對汽缸進行回火處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘餘應力，在運行中產生永久的變形。

5．在安裝或檢修的過程中，由於檢修工藝和檢修技術的原因，使內缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運行後產生巨大的膨脹力使汽缸變形。

6．使用的汽缸密封劑質量不好、雜質過多或是型號不對；汽缸密封劑內若有堅硬的雜質顆粒就會使密封面難以緊密的結合。博科思高溫密封劑是最新汽輪機汽缸密封材料，高、中、低壓缸可通用，避免了型號選擇不當而造成的汽缸泄漏。

7．汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質不合格。汽缸結合面的嚴密性主要靠螺栓的緊力來實現的。機組的起停或是增減負荷時產生的熱應力和高溫會造成螺栓的應力鬆弛，如果應力不足，螺栓的預緊力就會逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質不好，螺栓在長時間的運行當中，在熱應力和汽缸膨脹力的作用下被拉長，發生塑性變形或斷裂，緊力就會不足，使汽缸發生泄漏的現象。

8．汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時是從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧最大處或是受力變形最大的地方緊固，這樣就會把變形最大的處的間隙向汽缸前後的自由端轉移，最後間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會集中於中部，汽缸結合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。

渦輪葉片斷裂原因

某飛機在起飛時尾噴管發生噴火,其燃氣渦輪一、二級葉片斷裂,在尾噴管及相關機匣內表面存在大量的金屬附著物。對斷裂的葉片進行斷口宏微觀觀察、金相組織檢驗。結果表明：燃氣渦輪一、二級葉片斷口為沿晶脆性斷口,高溫區組織出現過熱,局部過燒,導致葉片斷裂的原因是發動機在超溫狀態下工作。

燃氣渦輪發動機