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燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉,將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械,是一種旋轉葉輪式熱力發動機。 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,義大利人列奧納多·達芬奇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應用。

1發明過程

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,人們掌握了壓氣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氣機的問題,因而在30年代中期出現了效率達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應用。
燃氣輪機應用
隨著高溫材料的不斷進展,以及透平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。
與此同時,燃氣輪機的應用領域不斷擴大。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應用。
在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時,還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的複合裝置。最早出現的是與活塞式內燃機相結合的裝置;50~60年代,出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置,但由於笨重和系統較複雜,到70年代就停止了生產。此外,還發展了柴油機燃氣輪機複合裝置;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,可有效地節約能源,已用於多種工業生產中。
燃氣輪機的工作過程是,壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮;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;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,尚有餘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,待加速到能獨立運行后,起動機才脫開。
與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置比較
與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較,燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量,重型燃氣輪機一般為2~5千克/千瓦,而航機一般低於0.2千克/千瓦。燃氣輪機佔地面積小,當用於車、船等運輸機械時,既可節省空間,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用於發電,而30~40兆瓦以上的幾乎全部用於發電。
燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動,機動性好,在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用,能較好地保障電網的安全運行,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,功率最小的在10千瓦以下。
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。適於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。

2燃氣-蒸汽輪機

主題詞或關鍵詞: 燃氣 能源科學 蒸汽
歷史探索
聯合循環的理論基礎早已建立。熱力學奠基人之一卡諾就提出過聯合循環的概念。但是直到20世紀中葉,才開始有實用的聯合循環動力裝置。發展聯合循環的關鍵是要研製出高溫、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,世界各先進工業國家均已有定型聯合循環機組產品。其中功率最大的已超過60萬千瓦,最高熱效率已高達47%以上。它作為熱電並供機組使用,燃料利用率可高達80%左右,單機組最長運行時間已超過10萬小時。熱機的熱效率要提高1%都是非常困難的,而聯合循環卻只要把燃氣輪機和蒸汽輪機結合起來就可以大幅度節約能源。
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