燃气轮机在移动设备领域中的应用与发展

2023-10-23伍赛特

现代工业经济和信息化 2023年8期

关键词：燃气轮机涡轮机组

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引言

燃气轮机是一类以连续流动的高温气体为工质的热力涡轮机械，具有重量轻、体积小、启动快，运行维护简便，便于集中控制，少用或不用水，适宜于燃烧多种燃料等优点，因此受到了业界的广泛关注。

1 燃气轮机与内燃机的对比

在完成一个循环时，燃气轮机的热力过程分别在压气机、燃烧室和涡轮三大部件中进行，而且是一个连续的过程。内燃机的这些工作过程是在同一个气缸中进行的，并且过程是间断的，因此内燃机的运转通常不如燃气轮机平稳[1]。

在燃气轮机中，高温高压的燃气以较高的速度流经涡轮时，推动涡轮旋转而做功，并由涡轮驱动压气机一起做高速旋转运动。燃气轮机是一类旋转机械，主要通过部件的旋转运动来实现能量转换。而内燃机则是一类往复机械，其结构沿用自蒸汽机。高温高压的燃气推动活塞，再通过曲柄连杆机构实现运动形式的转换，从而将机械功传递给外界。

内燃机的功率受活塞的体积、重量和运动速度的限制。与内燃机相比，燃气轮机持续做旋转运动，工质处于连续流动状态，因而无需曲柄连杆等机构，可以直接驱动工作机械。此外，在同等功率下，燃气轮机有着更小的尺寸和重量，运转和检修费用较少，对润滑油和冷却水的需求量较低，并且振动和噪音较小，运行维护费用同样较低。通常，对于功率为10 MW 以上的燃气轮机来说，上述优点更为突出。因此，在移动设备上，燃气轮机将会得到越来越广泛的应用。

2 燃气轮机与汽轮机的对比

燃气轮机与汽轮机均为热力涡轮机械。区别在于，前者以燃气为工质，后者则以蒸汽为工质。鉴于燃气轮机和汽轮机在原理上和构造上具备许多共通之处。

与汽轮机相比，燃气轮机具有重量轻、体积小、启动迅速、加速性能好、污染少、用水少（且无需配备庞杂的凝汽设备）、管理与集中控制便捷等特性，适于驱动油、气田或海上采油平台上的增压水泵、压缩机，并适于作为移动电站、调峰机组或紧急备用机组[2]。

与采用汽轮机的发电站相比，燃气轮机电站的金属消耗量可显著降低，厂房占地面积缩小50%～75%，工作人员减少30%～50%，机组能在10～15 min 内从静态加速至全负荷。

但燃气轮机也有其弊端。燃气在涡轮中所做的机械功，大约有2/3 以上被用于驱动压气机，而剩下的那部分功，则通过机组的输出轴来驱动外界的负荷，从而一定程度上制约了燃气轮机功率的提升。不仅如此，由于受到高温材料的限制，燃气轮机的热效率通常低于内燃机和高参数的汽轮机。特别是在部分负荷工况下，燃气轮机的热效率会显著降低。更重要的是，燃气轮机需要采用高品质的镍、铬、钴合金材料，机组中高温元件的使用寿命又较短，从而影响到整机的经济性和可靠性。

随着科学技术和工业水平的不断发展，燃气轮机的相关技术问题也得到了优化[3]。目前，冶金工业已能为燃气轮机提供更为优质的合金材料。当其与合理的冷却方案结合后，燃气初温有了进一步提高。其中，简单循环燃气轮机的热效率已超过30%。如再采用适当的回热方案，或者对排气余热进行综合利用，机组的热效率可达到与内燃机相近的水平。

随着科学技术和工业水平的不断发展，燃气轮机的性能得到了持续提高，应用范围也在日益扩大。目前，按用途的不同，燃气轮机在移动设备领域的应用可分为固定式和航空、舰船、机车及汽车等，下文将对此进行重点研究。

3 燃气轮机在移动设备领域中的应用与发展

3.1 燃气轮机的动力传动与倒车装置

3.1.1 燃气轮机的传动问题

对采用燃气轮机的移动设备而言，必须解决和传动有关的问题，主要包括：减速、倒车和起动三个问题。

燃气轮机的转速一般在3 000 r/min 以上。其中，功率小的机型转速更高，一般会在10 000 r/min 以上，故需先经过减速才能驱动车轮或螺旋桨。燃气轮机除了采用经特殊设计的涡轮结构之外，都很难实现倒车功能，必须另配有合适的倒车机构。其中，陆用车辆为了适应起动、加速及上坡等工况，要求在低速时能发出较大的功率，故起动扭矩和额定工况下的扭矩之比至少应在3～4 左右。采用分轴式燃气轮机后，其起动扭矩比可达3.4，但有时依然略显不足。

目前，采用的传动方式主要为机械传动、电传动和液力传动三类。在船舶领域，另外还有采用倒车级和可变节距螺旋桨两种倒车方法。

3.1.2 燃气轮机与机械传动

减速齿轮传动效率较高，有着较为广泛的应用。但是高速齿轮对制造精密性要求较高，并且容易发生磨损并产生噪音，还需考虑车船运行时转弯、倾侧、振动等影响，故加工过程较为复杂。在进行大功率传动时，换挡变速或实现倒驶均会产生困难。设计时还要顾及各车轮功率的均匀分配。行星齿轮减速比较大，且结构紧凑，在涡轮螺旋桨发动机中使用最为频繁，在其他燃气轮机中也有一定应用。在采用差动式行星齿轮时，压气机同涡轮通过行星齿轮相啮合，其负荷由行星轮输出，这样在输出转速为零时，压气机仍能以全速状态运行。同时，涡轮在低速时的效率较高，加速性较好，但其起动扭矩通常不如分轴式燃气轮机。

3.1.3 燃气轮机与电传动

电传动可利用直流发电机、变频发电机及电动机等设备，并且其变速及倒车过程都较为便捷，起动扭矩比可达5～7。在采用了电传动方案后，能显著提升单轴燃气轮机的技术效能。在部分负荷工况下，可降低机组转速，以减少流量，从而维持了机组功率和效率。在制动时，电动机还可临时实现反向运转，以发电机状态运行，并进行能耗制动，或反过来调整涡轮及压气机。同时，也可使压气机放出部分压缩空气，来协助制动过程的开展。但电传动的弊端在于设备昂贵、重量大，即使采用轻小便宜的高频交流电机，其重量也大于齿轮传动设备，并且存在效率较低的问题。

3.1.4 燃气轮机与液力传动

在高速运行时，液力传动的效率较高，在顺车及倒车时，可分别将传动油传递到顺车或倒车的液力耦合器中去，故倒车更为便捷，耗时更短。但传动油温度易于升高，需要靠庞大、笨重的散热器来进行冷却，且机组在低速时的效率较低，也可作为燃气轮机的起动设备。

3.1.5 燃气轮机与倒车装置

专用的倒车级虽已得到应用，但其增加了高温管道的漏气问题和结构的复杂性。近年来，GE 公司试制了可以实现倒车的分轴式自由涡轮。而小型机组可利用向心式涡轮的可转喷管叶片来适应变工况和倒车，简单方便、便宜可靠，有着较高的适用性。可变节距螺旋桨也能用来倒车，应用较多，在低负荷时效率较高，但在正常负荷时螺旋桨效率低，可靠性也较差，并且许多复杂机构与水相接触，从而难以开展检修工作。

3.2 燃气轮机在航空领域的应用与发展

在航空方面，由于燃气轮机的比重量较轻，同时由于高空气温较低，有助于提高燃气轮机性能，再加上国防方面的要求，使燃气轮机在该领域的发展极为迅速。自1939 年以来，世界各国已制成了大量航空燃气轮机，已完全取代了既有的内燃机，而且其影响已扩大到其他领域，许多航空用燃气轮机都开发出了改型机组[4]，以供其他领域使用。

航空燃气轮机要求机组比重量轻、比油耗低，比推力大、单位挡风面积的推力大，运行可靠，易于操纵。保安系统应确保发动机能在不同的气候和飞行条件下工作。军用航空燃气轮机则要求机组具备较高的性能，且易于实现改型，但由此一来，机组寿命往往较短。民用航空燃气轮机的参数稍低，但寿命较长，且需要有较高的经济性。航空燃气轮机一般采用简单循环，温度及压比较高。在尾喷管前加上加力燃烧室后，可临时将航空燃气轮机的简单循环改为再热循环。临时在压气机或燃烧室中喷水或酒精也能增加推力。就回热器而言，早期的航空燃气轮机上曾经试用过该类设备，近来又考虑在部分机组上加装此类装置。

由于在飞行时，飞机相对大气有较高的相对速度，因此航空燃气轮机的进气部分通常装有扩压器，以充分利用大气的冲压作用。事实上，气流的冲压过程通常全部或大部分都在进气口前进行，这种在机前扩压的过程具有较高的效率。当气流完成扩压过程后，接着经过一段收敛管，使进入压气机时的速度场更为均匀。通常而言，飞行速度越快，气流经冲压后的压力和温度也会越高。现代飞机在应用了钛合金后，航速可高于3.5 马赫，部分飞机已达到6 马赫及以上。目前，应根据飞行速度来设计进口扩压器。为了减少冲击波造成的损失，用于超音速飞机的发动机大都会采用尖突状超音扩压器，利用尖突引起的斜冲波来减弱强烈的正冲波。此外，航空发动机的进气部分还需要采用防冰装置，常从涡轮部分抽出一些高温燃气，并将其导流至进气口处，对新鲜进气进行加热，以防止冰晶堵塞进气口。

通常，需要根据喷气速度来设计尾喷管。尾喷管的结构较为简易，一般可分为整流部分及喷口部分。外筒由耐热薄板焊成，并用空气流进行冷却，其中，部分附有绝热材料层。有时，为了降低噪音，尾喷管会制成花瓣形或分管式，尾喷管中央为尾锥体，也可用耐热板焊成，并由辐向支柱支撑。为了扩大发动机的运行范围，或帮助飞机实现空中制动及垂直起飞等目的，尾喷管的截面和气流方向通常可进行调节。

3.3 燃气轮机在民用船舶领域的应用与发展

3.3.1 燃气轮机在远洋船舶中的应用与发展

远洋船舶航行时间较长、功率要求较高，因此要求机组在额定负荷工况下有着较高的效率，并能长期燃用重油，而部分负荷工况下的效率则并不那么重要。为了和燃用重油的柴油机实现竞争，燃气轮机效率应在26%左右。7 000 hp 以上的大功率燃气轮机要需和汽轮机开展竞争，并逐步提升机组动力性能。用于远洋航轮的燃气轮机也可采用复杂循环、闭式循环或与蒸汽相联合的循环。货船自身的重量和容积都较为重要，但远洋船舶的轮机房大小需按国际规定，同轮机的实际大小关系不大。另一方面，燃气轮机流量较大，进排气道较大，会占用船上部分空间，故可采用间冷方式来减少机组流量。目前，对远洋船舶机组的尺寸和重量的要求相对较低，故可采用体积较大的回热器、间冷器，并采用较低的转速以提高效率。远洋船舶机组的寿命约十万小时，由于对可靠性要求较高，故机组的温度和转速都不宜过高。目前，燃气轮机需先经充分的陆上试车后，才能装到船体上。许多大型固定式燃气轮机如安装到船上，再利用电传动或者减速设备减速至140 r/min 后，也能用于驱动螺旋桨。由于海上空气含盐量较大，会迅速在压气机叶片上积盐，要求能在运行中进行清洗，叶片等零件材料也要能耐受盐分的腐蚀。船舶在停靠码头时，通常会进行清理或检修，为减少相关过程的时间与费用，要求机组的保养及维修过程尽量简单。

3.3.2 燃气轮机在近海船舶中的应用与发展

由于近海船舶吃水较浅，航行时间较短，进港停泊时间较长，故对机组效率要求不高，但却要求机组重量轻、尺寸小、机动性好、起动快、起动频繁、倒车容易、易于维护、排放少。在该前提下，燃气轮机宜采用简单循环，进入涡轮前的燃气温度可取得较高。由航空发动机改型或改装而成的燃气轮机[5]，有着较高的可靠性，也容易维修和控制，更适用于水翼船及气垫船。

3.3.3 船用燃气轮机的轴系选择

中小型民用船舶可采用分轴式燃气轮机。该类燃气轮机配备有自由涡轮，经减速后驱动螺旋桨。另外可由阀门控制适当的旁通或放气量，同时需采用可调式的低压涡轮喷管叶片，以适应负荷变化，并避免超温。对船用燃气轮机的机动性要求高于固定式燃气轮机，故应采用结构轻巧的机组，以适应负荷变化。大型船舶也常用并列的数台标准化机组，并驱动螺旋桨，以适应不同工况，并节省投资经费。三轴式或双轴式机组的部分负荷性能较好，机组压比较高，因此机组的尺寸可能比采用回热器的分轴式燃气轮机更小。其中，气垫船可通过燃气轮机来驱动风扇，从而可在围裙下形成气垫，并提供推进动力，目前已被广泛采用。

3.4 燃气轮机在军用舰艇领域的应用与发展

3.4.1 航空改型机组在军用舰艇领域的应用与发展

轻型燃气轮机及航空改型的燃气轮机可充分满足舰船的许多要求[6]，故近年来新型军舰大量采用燃气轮机，涡轮前的燃气温度大约在800～1 150 ℃以上，通过增加比功率及效率，使机组重量及燃料重量有所减低。目前机组的热效率约为33%～36%。但是，小型燃气轮机通常效率较低且转速较高，转速较高的燃气轮机会导致传动效率及螺旋桨效率降低，从而使总效率进一步降低。为实现额定的航程，需携带更多的燃料，由此会占用更多的空间，为此需要开展优化工作。舰用燃气轮机可燃用煤油或柴油，能在短时间内燃用重油。为了减少机组的尺寸，有时可采用同心套轴、环套状回热器等结构。目前，为降低舰艇的重心，通常会在船底安置间冷器等重型部件。军舰在作战时，需要尽可能降低噪音，同时还要能承受冲击或爆炸，因此机件间应有足够的间隙，同时需采用整块的底座、柔性支脚、避振器及消音设备，并且应避免采用悬臂零件或脆弱零件。

机组通常会在多种负荷下运行，故要求其在部分负荷工况下的效率较高，而机组自身寿命约为10 000～50 000 h。目前，可选用复杂循环，并采用平行套轴的结构。在巡航时，低压轴以低速转动，高速时利用再热使低压压气机加速，使流量增加，并提升功率。但再热循环往往会提升控制的复杂性，故不常应用。如采用回热式或间冷式双轴燃气轮机，效率可达38%左右。其中，核动力军舰可采用闭式循环燃气轮机作为全工况机组。近年来，由于经改型的航空燃气轮机在舰船上得到了广泛应用，而且新一代机组的效率已达36%，故常常采用数台机组并列，根据需要启动其中若干台来适应负荷的变动。

3.4.2 联合动力装置在军用舰艇领域的应用与发展

在约80%的运行时间中，军舰会以15～20 kn 的巡航速度运行，这时负荷仅约为全负荷的5%～40%。在发现敌情时，才会以高速航行，航速可达25～55 kn。其中，气垫船可达80 kn，但维持时间较短。故舰用燃气轮机应尽量轻小，在低负荷工况时，效率要尽可能高，以节省燃料，延续航程，并增加载重。同时，要求机组运行可靠，灵活性高，便于控制及起动，倒车迅速、维护简单、声音小、烟灰少，能耐强烈震动，在倾侧俯仰频繁或机舱出现浸水现象时，仍能维持运行。此外，机组应易于制造、检修、互换零件及实现改型。

舰艇多以燃气轮机作为加力机组，并且会在紧急启航或高速航行时启用。通过采用该方案，巡航机组可采用高效率、长寿命的燃气轮机。其中，舰用燃气轮机加力机组的功率约在2 000～50 000 hp 左右，寿命约1 000～10 000 h，多会选用采用了简单循环的分轴式燃气轮机，机组经减速后驱动螺旋桨。部分高速小型舰艇如登陆艇、水翼船时常会在全速工况下运行，同样需采用简单循环分轴式燃气轮机。如果采用可变节距螺旋桨，则可与单轴式燃气轮机匹配使用，但需防止机组喘振或过热。

目前，联合动力装置多以柴油机作为巡航机组，以燃气轮机作加力机组，称为柴- 燃联合动力装置。也可采用高效率的燃气轮机作为巡航机组，而用另外的高功率燃气轮机作为加力机组，从而称为全燃联合动力装置。以汽轮机作为巡航机组、以燃气轮机作为加力机组，则被称蒸汽- 燃气联合动力装置。

历史表明，凡有一种新型舰船动力装置问世，往往出现其与其他原有机器组成的联合动力装置。随着新型设备技术性能的提高和可靠性的增加，单一动力机型又逐渐抢占上风，直到更先进的机器出现。以蒸汽- 燃气联合装置为例，其成本低廉，还能供热，总效率较高。在该类联合动力装置中，以汽轮机作为巡航机组，由于巡航功率较小，汽轮机装置的重量尺寸得以大幅减小，在高速时，燃气轮机投入运转即可实现同时运作。但随着柴油机功率的增大和燃气轮机效率的提高，汽轮机作为巡航机组的优越性正在逐步消失，将逐渐被柴- 燃联合动力装置所取代[7]。

3.4.3 闭式循环燃气轮机在军用舰艇领域的应用与发展

除了上述的按开式循环工作的燃气轮机外，在固定式动力装置中，按闭式循环工作的燃气轮机同样也值得关注。

按闭式循环运作的燃气轮机，和按开式循环运作的机组并无原则上的区别。所不同的是，在闭式循环中，工质在封闭的流道中流动，不与大气相通，用空气锅炉或核反应堆替代燃烧室来加热空气，比开式循环多了一个空气冷却器。

在部分负荷工况下，闭式循环燃气轮机的效率较高，补充风量少，机械设备及管道部分体积小，但转速较高，需要较大较重的减速器、气体加热器和大量冷却水，宜装在大、中功率的船舶上。

按闭式循环工作的燃气轮机，主要优点是：

1）燃烧产物不进入涡轮，因此可以采用固体燃料（在开式循环机组中，通常不采用固体燃料，因为固体燃料的灰份较多，和燃气相混合进入燃气轮机后会使通流部分堵塞）。

2）可以在压力比相同的条件下，采用提高压力、增加工质密度的办法，加大工质流量，从而获得较大的功率。

3.5 燃气轮机在铁路运输领域的应用与发展

我国曾自行研发出了两款机车用燃气轮机，并投入使用[8]。机车功率约为3 000～8 000 hp，可燃用柴油、重油及煤粉。受机车尺寸及重量的限制，通常只能采用轻型燃气轮机，同时由于机车内部空间有限，应尽量不采用冷却水，故采用闭式循环并不适宜，大都用简单开式循环。而压气机的压比并不高，一般在10以下，故燃气轮机车的效率一般为16%～27%，介于蒸汽机车和内燃机车之间，但是机车通常会在部分负荷工况下运行，故在运行时的平均效率相对较低，因此，如运输距离较短，采用燃气轮机车就并不合适。如我国内地高原疆土辽阔、水源较少而油产量较多的地区，采用燃气轮机车就较为合适。如果在同一台燃气轮机车中布置两台燃气轮机，在低负荷工况时只采用其中一台，则会显提升效率，但由此增加了设备费用和整车重量。此外，小功率机车用燃气轮机转速较高，增加了制动的难度。

燃气轮机车能在全负荷工况下持续长期运行，在采用电传动时，还具有15%～20%的超载牵引力，从而更有利于起动及爬坡等工况，并且机组寿命通常长于内燃机车。不仅如此，燃气轮机车的车体通常较短，整车重量较轻，在功率相同的前提下，可牵引更多的铁道车辆，并可减少轮对的数量。同时，由于车辆不受往复惯性力的影响，车轮也不易打滑。机车用燃气轮机在运行时不需要水，可以不采用相关冷却设备，节省沿途上水的时间。同时，燃气轮机车产生的烟灰总量较少，从静止状态起动只需5～20 min，操作维护更为简便，并且加燃料过程更为便捷，只需司机一人操纵即可。司机室位于机车两端，视野较宽，便于司机进行操作。在不同海拔及气候条件下，燃气轮机输出的功率会随气压下降，而气温每下降1 ℃，可使功率增加1%。因此，在温度较低的环境下，燃气轮机功率会有所增加，除了可供列车进行电热取暖之外，还可提供额外的牵引力，并缓解机车轮对冷冻凝滞的现象。在冬季，进口空气滤清器易结冰，需适当防止，应尽量降低噪音。燃气轮机车的成本总体与内燃机车相近，约为蒸汽机车的3 倍[9]。

3.6 燃气轮机在移动电站领域中的应用与发展

离中央电网较远而离铁路线或公路线较近的厂矿、森林及部分国防军事领域，需要灵活性较高的列车、卡车、船载电站来供应电源。现有的列车电站主要有柴油机、汽轮机和燃气轮机三类。其中以燃气轮机列车电站最为经济方便。其功率大、车厢少、人员少、起动快，无需水源，能燃用重油或煤气。其中，功率为6～30 MW 的燃气轮机列车电站全套设备只需二、三节车厢。相同功率的汽轮机列车电站则需要节数更多的车厢，而且因冷却水量有限，真空度不高，机组效率通常不会超过15%～20%，低于燃气轮机列车电站。柴油机列车电站效率虽高，但柴油价格明显高于重油，机组的维护费也较高，长期连续运行效果不如燃气轮机。而且柴油发电机组比重量较大，在列车结构尺寸的限制下，单机功率很难达到6 MW。

燃气轮机列车电站的车厢长度和高度通常不应超出25 m×5 m。设备如需分两节车厢安装，动力设备和电器设备则应各装一节，其他辅助设备可分别安装在相近的车厢中。列车电站燃气轮机大都采用简单循环，也有部分采用结构紧凑的回热器。车架应具有足够的刚性，以免产生变形而影响机组的同心度或间隙。动力设备可直接安装在车架上，或者先安装在底盘上，再将底盘整块地装上车架。管道最好安装在车厢或底盘下面，从而便于检修。电气设备宜采用开式风冷系统，以减少机组的重量和尺寸。列车电站燃气轮机常采用蓄电池起动，但蓄电池尺寸较大，一定程度上限制了启动功率和启动次数。

除此以外，采用柴油机起动的设备也很多，且更为可靠、便捷，但大功率柴油机需要用水冷却。如果用柴油机直接起动，则需采用液力变扭器，由此也可考虑压缩空气起动设备。功率为1～20 MW 的燃气轮机可由货车或船舶载运至缺电地点，并进行快速供电，比列车电站更为便捷。

3.7 燃气轮机在汽车领域的应用与发展

3.7.1 小功率燃气轮机的应用

小功率燃气轮机原指功率为500 hp 以下的小型燃气轮机，现在其范围已扩展至2 MW 的轻型燃气轮机。其用途较为广泛，例如可作为各种中、小型载运工具的动力来源，或作为各种大型载运工具、动力站、油田、农林厂矿、山岛边区、海空港口，流动队伍、地下建筑等地的辅助机组，或用于发电、泵水、备用、起动等领域，还可以供应压缩空气、热能、烟雾或可进行灭火的惰性气体等。相关机组大都安装在移动式底架、货车、拖车或小型船舶上，可随时实现方位转换，以满足供应需求。机组对不同燃料的适应性较强，排放性较好，但不宜燃用重油。其结构较为简易，重量较轻，易于制造，生产周期较短，无需冷却水，不畏寒，起动及维护检修都较为便捷。

3.7.2 小功率燃气轮机的设计特点

小型燃气轮机的压气机和涡轮形式，主要可根据所需功率大小与效率高低来进行设计。在比转速较低时，即在小流量大焓降的工况下，如采用轴流式结构及大直径叶片，会对附面层造成严重影响，使机组效率较低，而径流式设计方案则能显著提升功率，具有更佳的性能。但径流式结构的径向尺寸较大，且气流还要进行折转，流动损失较大。对于比转速较高的燃气轮机而言，其直径较小，叶片较长，故多采用轴流式。

因此，径流式结构多适用于功率低于200 kW 的小型燃气轮机，其结构简单，易于制造，重量较轻，成本较低。尽管效率有所降低，但仍有一定的提升潜力。轴流式结构重量较大，会影响机组加速性，容易因积垢而影响性能，结构复杂且成本较高，该类结构通常会应用在功率高于500 kW 的机组中，才能获得较高的效率。而对于功率介于200～500 kW 之间的机组而言，往往会采用径流式压气机及轴流式涡轮。

小功率燃气轮机的流量不大，为减少叶片流道中附面层的影响，以及间隙漏气等叶端损失，要求叶高不能过短。为了维持效率，级数不多的小型燃气轮机转速较高，对齿轮和轴承提出了较高的要求。由于转速较高，小功率燃气轮机适于驱动高频发电机组，并且涡轮前的燃气温度通常也会较高。由于机组内部温度变化剧烈，所以涡轮转子和燃烧室焰管等部件的寿命不易提高。早期的小型燃气轮机寿命仅为100～1 000 h，而现有产品的寿命已长达数万小时。如采用简单循环，小型燃气轮机效率仅约6%～20%，随着跨音速压气机的发展，离心式单级压比能提高到5～12，整机效率也得以改善。采用回热器的小型燃气轮机压比可选得较低，效率已达17%～40%。回热器要求具有紧凑的结构、较高的回热度，较低的热惯性。为增加油箱的尺寸，通常会将消音器和空气滤清器合并成一体。为了减轻重量，某些零件通常会以轻合金来制造，例如压气机部分。

3.7.3 以小功率燃气轮机为动力的汽车

对于汽车而言，动力装置的加速性较为重要。在加速时，由于受机组旋转惯性力和热惯性的作用，会存在一段迟滞时间。在车辆下坡或制动时，发动机进行制动的作用也相对较弱，而且由于系统流量较大、排气管尺寸较大，难于布置，并会产生噪音，对起动机的功率要求也相对较高。对功率要求较高或经常在高速工况下运行的车辆（如坦克、重型汽车、长途汽车或专用汽车等）而言，更适于采用燃气轮机作为动力装置。但对拖拉机等农业机械而言，其运行速度较低，且对扭矩比和经济性要求较高，采用燃气轮机则并不合适。

采用低压涡轮的分轴式燃气轮机，其扭矩比可达2.8～3.2，但仍无法满足汽车的要求，仍需采用两级变速器。除此以外，机组参数变动大，低压涡轮的响应性较差，回热器与动力涡轮相连接，故对工况响应性的要求较高，其热惯性对调节设备所产生的影响也较大。如果采用高压涡轮输出动力，则在低转速时，能使低压涡轮的功率增加，并使扭矩比达到4.5 以上，功率及效率的变化也不大。

在采用可调静叶或分轴式结构以后，车用燃气轮机在部分负荷工况下的效率也与内燃机相近。目前生产的小型车用燃气轮机，已能在效率、寿命及价格等方面接近内燃机。在改用成本更低的材料，改进零件的制造工艺，并采用大规模生产方法之后，车用燃气轮机的成本还能进一步降低。车用燃气轮机的污染问题虽不严重，但也有待进一步解决。

4 燃气轮机的优势

燃气轮机具有结构简易、轻便、体积小、动力性强、启动性好，主要应用在航空、船舶、铁路等交通运输部门和固定式动力装置中。燃气轮机之所以得到高速发展，是因为其与内燃机及汽轮机相比，具有许多显著的特点，总体归纳如表1 所示。

表1 燃气轮机相对于内燃机及汽轮机的优势

5 燃气轮机应用前景展望

5.1 燃气轮机在各类移动设备中的应用前景

随着国民经济的发展，我国对新技术的要求日益迫切。在航空领域，燃气轮机已得到了广泛应用。航空燃气轮机以高温燃气作为功率输出形式，为航空器提供动力来源，其具有体积小、重量轻的特点，而且所产生的推力几乎和飞行速度无关（螺旋桨所产生的推力则随速度的增加而减小），上述优点对于航空领域具有决定性的意义。

目前，各类船舶可充分利用经航空燃气轮机改型而成的机组，以显著降低研发成本。根据船舶长期的航行经验来看，采用燃气轮机具备诸多优势，其尺寸小、易于制造、可靠性高、维修简单，辅机和控制集中，自动化程度高、运行人员少、故设备费、维修费和人员费都相对较低，可以显著降低总运行费用。因此，许多国家很重视燃气轮机在船舶上的应用，希望其今后能产生革命性的影响。

在铁路运输领域中，由于燃气轮机车功率大，重量轻，可以增加列车的牵引量，并确保列车能以一定的速度运行。作为热力机车，燃气轮机车的效率通常高于蒸汽机车，却低于内燃机车。但燃气轮机车具备牵引量大的优势，因此其总运输成本仅略低于内燃机车。

在发电领域中，燃气轮机有着重大的意义。功率为200 MW 的燃气轮机经济性比相同功率的汽轮机高5%～10%，而金属消耗量几乎减少50%，随之而来的建设费用，也比相同功率的汽轮机几乎减少50%。