燃氣輪機與蒸汽輪機

燃氣－蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)，是把燃氣輪機和蒸氣輪機這兩種按不同熱力循環(huán)工作的熱機聯(lián)合在一起的裝置，有時也簡稱為聯(lián)合循環(huán)。為了提高熱機的效率，應該盡可能地提高熱機中的加熱溫度和降低排熱溫度。但蒸汽輪機和燃氣輪機的熱力循環(huán)都不能很好滿足上述要求。如把它們結(jié)合起來，以燃氣輪機的排熱來加熱蒸汽，就可以同時取得燃氣輪機加熱溫度較高和蒸汽輪機排熱溫度較低的雙重優(yōu)點。

聯(lián)合循環(huán)的理論基礎早已建立。熱力學奠基人之一卡諾就提出過聯(lián)合循環(huán)的概念。但是直到２０世紀中葉，才開始有實用的聯(lián)合循環(huán)動力裝置。發(fā)展聯(lián)合循環(huán)的關鍵是要研制出高溫、高性能、大功率的燃氣輪機。為了適應石油短缺的形勢，在燃氣輪機中有 效燒煤也是一項關鍵技術。目前，世界各工業(yè)均已有定型聯(lián)合循環(huán)機組產(chǎn)品。其中功率較大的已超過６０萬千瓦，較高熱效率已高達４７％以上。它作為熱電并供機組使用，燃料利用率可高達８０％左右，單機組較長運行時間已超過１０萬小時。熱機的熱效率要提高１％都是非常困難的，而聯(lián)合循環(huán)卻只要把燃氣輪機和蒸汽輪機結(jié)合起來就可以大幅度節(jié)約能源。

燃氣輪機

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能 量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。

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，意大利人列奧納多·達芬奇設計出煙氣轉(zhuǎn)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應用。

1791年，英國人巴伯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臺燃氣輪機，并于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??；1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈制成臺能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。

1920年，德國人霍爾茨瓦特制成臺實用的燃氣輪機，其效率為13％、功率為370千瓦，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)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(fā)展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現(xiàn)了效率達85％的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現(xiàn)了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃氣初溫，于是等壓加熱循環(huán)的燃氣輪機終于得到成功的應用。

1939年，在瑞士制成了四兆瓦發(fā)電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，并開始迅速發(fā)展。

隨著高溫材料的不斷進展，以及透平采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果，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(xiàn)了數(shù)種100兆瓦級的燃氣輪機，較高能達到130兆瓦。

與此同時，燃氣輪機的應用領域不斷擴大。1941年瑞士制造的輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國制造的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，英國制成輛燃氣輪機汽車。此后，燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。

在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時，還出現(xiàn)了燃氣輪機與其他熱機相結(jié)合的復合裝置。較早出現(xiàn)的是與活塞式內(nèi)燃機相結(jié)合的裝置；50～60年代，出現(xiàn)了以自由活塞發(fā)氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置，但由于笨重和系統(tǒng)較復雜，到70年代就停止了生產(chǎn)。此外，還發(fā)展了柴油機燃氣輪機復合裝置；另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統(tǒng)，可有效地節(jié)約能源，已用于多種工業(yè)生產(chǎn)中。

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機(即壓縮機)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機帶著旋轉(zhuǎn)，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

燃氣輪機的工作過 程是較簡單的，稱為簡單循環(huán)；此外，還有回熱循環(huán)和復雜循環(huán)。燃氣輪機的工質(zhì)來自大氣，又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。燃氣輪機與其他熱機相結(jié)合的稱為復合循環(huán)裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，并相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末，壓縮比較高達到31；工業(yè)和船用燃氣輪機的燃氣初溫較高達1200℃左右，航空燃氣輪機的超過1350℃。

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣透平等組成。壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用于大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因后面幾級葉片很短，效率低于離心式。功率為數(shù)兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機采用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較率的同時又縮短了軸向長度。

燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件較差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對于一臺燃氣輪機來說，除了主要部件外還有完善的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設備，包括：起動裝置、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達10萬小時以上。輕型的結(jié)構緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機的結(jié)構為較緊湊、較輕，但壽命較短。

與活塞式內(nèi)燃機和蒸汽動力裝置相比較，燃氣輪機的主要優(yōu)點是小而輕。單位功率的質(zhì)量，重型燃氣輪機一般為2～5千克/千瓦，而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機占地面積小，當用于車、船等運輸機械時，既可節(jié)省空間，也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高，在部分負荷下效率下降快，空載時的燃料消耗量高。

不同的應用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數(shù)用于發(fā)電，而30～40兆瓦以上的幾乎全部用于發(fā)電。

燃氣輪機發(fā)電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網(wǎng)中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網(wǎng)的運行，所以應用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中，燃氣輪機因其輕小，應用也很廣泛。此外，還有不少利用燃氣輪機的便攜電源，功率較小的在10千瓦以下。

燃氣輪機的未來發(fā)展趨勢、采用高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術。提高燃氣初溫，即改進透平葉片的冷卻技術，研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研制級數(shù)更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作，用它來做透平葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時，就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫，從而較大地提高燃氣輪機效率。適于燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

按閉式循環(huán)工作的裝置能利用核能，它用高溫氣冷反應堆作為加熱器，反應堆的冷卻劑(氦或氮等)同時作為壓氣機和透平的工質(zhì)。

蒸汽輪機啟動時，需預熱一段時間，所以在港口碼頭有戰(zhàn)備值班的艦船一般都不會熄火而是保持一定的功率輸出，當要起航時，再加大馬力。與燃氣輪機相比，蒸汽輪機則有經(jīng)久耐用，油耗低易于保養(yǎng)等的優(yōu)點?？墒瞧湓胍舴重愝^燃氣輪機較高。但燃氣輪機依然是今后大中型艦船動力形式的中堅，但蒸汽輪機依然是艦船動力不可替代的一部分